Embed Size (px)
Citation preview
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE MECÁNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA.
“ESTANDARIZACIÓN DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE RIOBAMBA”
JIMÉNEZ ARIAS HERNÁN SANTIAGO.
PORTALANZA MOLINA NARCISA DE JESÚS.
TESIS DE GRADO.
Previa la obtención del Título de:
INGENIERO MECÁNICO.
Riobamba – Ecuador.
2009
“ESTANDARIZACIÓN DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE RIOBAMBA”
POR:
JIMÉNEZ ARIAS HERNÁN SANTIAGO.
PORTALANZA MOLINA NARCISA DE JESÚS.
Estudiantes de la Facultad de Mecánica, Escuela de Ingeniería Mecánica.
(ESPOCH)
TESIS.
Entregada como parcial complementación de los requerimientos para la
obtención del grado de Ingeniero Mecánico en la Escuela Superior Politécnica
de Chimborazo.
Riobamba – Ecuador.
2009
Espoch
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
CONSEJO DIRECTIVO Marzo, 30 del 2009
Yo recomiendo que la tesis preparada por:
JIMÉNEZ ARIAS HERNÁN SANTIAGO.
Titulada:
“ESTANDARIZACIÓN DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE RIOBAMBA”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el grado de:
INGENIERO MECÁNICO
f) ING. GEOVANNY NOVILLO A.
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
f) ING. RODOLFO SANTILLÁN H.
f) ING. PACIFICO RIOFRIO R.
Espoch
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: JIMÉNEZ ARIAS HERNÁN SANTIAGO.
TÍTULO DE LA TESIS:
“ESTANDARIZACIÓN DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE RIOBAMBA”
Fecha de Examinación: Marzo 30 del 2009.
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NO APRUEBA FIRMA
ING. GEOVANNY NOVILLO A.
ING. RODOLFO SANTILLAN H.
ING. PACIFICO RIOFRIO R.
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la defensa
se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
Espoch
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
CONSEJO DIRECTIVO Marzo, 30 del 2009
Yo recomiendo que la tesis preparada por:
PORTALANZA MOLINA NARCISA DE JESÚS
Titulada:
“ESTANDARIZACIÓN DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE RIOBAMBA”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el grado de:
INGENIERO MECÁNICO
f) ING. GEOVANNY NOVILLO A.
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
f) ING. RODOLFO SANTILLÁN H.
f) ING. PACIFICO RIOFRIO R.
Espoch
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: PORTALANZA MOLINA NARCISA DE JESÚS.
TÍTULO DE LA TESIS:
“ESTANDARIZACIÓN DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE RIOBAMBA”
Fecha de Examinación: Marzo 30 del 2009.
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NO APRUEBA FIRMA
ING. GEOVANNY NOVILLO A.
ING. RODOLFO SANTILLAN H.
ING. PACIFICO RIOFRIO R.
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la defensa
se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
DERECHOS DE AUTORÍA
El trabajo de grado que presentamos, es original y basado en el proceso de
investigación y/o adaptación tecnológica establecido en la Facultad de
Mecánica de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. En tal virtud, los
fundamentos teóricos - científicos y los resultados son de exclusiva
responsabilidad de los autores. El patrimonio intelectual le pertenece a la
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.
f) Hernán Santiago Jiménez Arias. f) Narcisa de Jesús Portalanza Molina.
AGRADECIMIENTO
Agradezco al Todo Poderoso, a la ESPOCH, a la Escuela de Ingeniería Mecánica, a mis profesores, a mi director de tesis Ing. Rodolfo Santillán, a mí asesor de tesis Ing. Pacífico Riofrío, a mis familiares y compañeros.
Santiago
Agradezco a Dios, a mí querida escuela de Ing. Mecánica, a la ESPOCH y cada una de las personas que con su apoyo me ha sido posible cumplir con una de las metas más importantes de mi vida.
A mis profesores que me han brindado su amistad, a los ingenieros que hicieron posible este trabajo y a mi hermano Juan por su apoyo incondicional.
Narcisa
DEDICATORIA
A mis padres: Hugo e Inés, que gracias a su sacrificio y abnegación, me han apoyado incondicionalmente para culminar mi carrera universitaria pese a todas las adversidades. A mis hermanas Carolina y María Elena que han sido un apoyo fundamental.
A mis amigos y amigas.
A todas las personas que de una u otra manera supieron apoyarme en esta etapa, difícil pero muy apasionante y hermosa.
Santiago
Dedico el presente trabajo a mis hermanos: Armando, Juan, a mi hermana Juanita y a la persona que ha sido un apoyo incondicional en mi vida Mrs.
A mis amigos y amigas, que han estado presentes en todas las etapas de mi carrera estudiantil.
Narcisa
CONTENIDO
CAPITULO I: GENERALIDADES, JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVO S
1.1. Antecedentes………………………………………………………………. 1
1.2. Justificación técnico, económica, ambiental……………………………. 5
1.3. Objetivos……………………………………………………………………. 7
1.3.1. General……………………………………………………………………… 7
1.3.2. Específicos………………………………………………………………….. 7
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO DEL PROYECTO
2.1. Generalidades………………………………………………………………. 9
2.2. La energía solar en Ecuador y el mundo………………………………… 11
2.3. Sistemas de energía solar para calentamiento de agua de uso
doméstico……………………………………………………………………. 13
2.3.1. Colector de placa plana esmaltada……………………………………….. 13
2.3.2. Sistema Termosifón………………………………………………………… 14
2.3.3. Sistemas colector - tanque integrados…………………………………… 15
2.3.4. Colectores solares con tubo evacuado…………………………………… 16
2.4. Sistemas de calentamiento de agua convencionales…………………… 17
2.4.1. Calentadores de punto……………………………………………………... 17
2.4.2. Calentadores de paso………………………………………………………. 19
2.4.3. Calentadores de acumulación…………………………………………….. 20
2.4.4. Calderas……………………………………………………………………… 22
2.5. Ventajas y desventajas de la energía solar…………………………........ 24
2.5.1. Ventajas……………………………………………………………………… 24
2.5.2. Desventajas…………………………………………………………………. 24
CAPITULO III: DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA ENERGÉTI CO
3.1. Variables de dimensionamiento del proyecto……………………………. 25
3.1.1. Recurso energético disponible……………………………………………. 25
3.2. Recurso solar disponible en Riobamba………………………………….. 28
3.2.1. Variables físicas: temperatura, humedad relativa, viento……………… 30
3.2.2. Cálculo del potencial solar………………………………………………… 34
3.3. Demanda energética de Riobamba para calentamiento de agua de uso
doméstico…………………………………………………………………… 34
3.4. Estudio del mercado potencial…………………………………………… 36
3.4.1. Sectorización de la ciudad……………………………………………….. 36
3.4.2. Trabajo de campo para determinación de la demanda energética….. 38
3.5. Dimensionamiento del proyecto…………………………………………. 52
3.6. Sistema de calentamiento de agua para uso doméstico en la ciudad. 53
CAPITULO IV: MODELACIÓN MATEMÁTICA Y ESTANDARIZACIÓ N DE
SISTEMAS SOLARES
4.1. Parámetros de diseño del sistema……………………………………….. 56
4.2. Modelo matemático del sistema de calentamiento de agua…………… 57
4.3. Indicadores técnicos: calor total, calor útil, pérdidas energía,
eficiencia……………………………………………………………………... 73
4.4. Estandarización de sistemas solares: potencial solar – N° usuarios - área
de captación…………………………………………………………………. 76
4.5. Esquemas del sistema de calentamiento de agua……………………… 79
4.6. Instalación del sistema…………………………………………………….. 83
4.7. Pruebas y funcionamiento del sistema…………………………………... 86
CAPITULO V: ESTUDIO DE COSTOS Y RENTABILIDAD
5.1. Generalidades………………………………………………………………. 91
5.2. Costos directos……………………………………………………………….92
5.3. Costos indirectos……………………………………………………………..93
5.4. Costos totales del proyecto………………………………………………... 94
5.5. Valor actual neto (VAN) y tasa interna de retorno (TIR)……..……….. 94
5.6. Rentabilidad del proyecto………………………………………………….. 97
5.7. Financiamiento………………………………………………………………. 97
CAPITULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. Conclusiones……………………………………………………………….. 99
6.2. Recomendaciones………………………………………………………….103
ANEXOS
BIBLIOGRAFIA
INDICE DE TABLAS Pág.
Tabla 3.1: Heliofanía promedio de Riobamba…………………………………30
Tabla 3.2: Temperatura ambiente de Riobamba………………………………32
Tabla 3.3: Humedad promedio de Riobamba…….……………………………33
Tabla 3.4: Velocidad del viento en Riobamba…………………………………33
Tabla 3.5: Consumo energético en Riobamba…...……………………………35
Tabla 4.1: Datos de la modelación matemática……………………………….71
Tabla 4.2: Resultados del modelo matemático………………………………..72
Tabla 4.3: Estandarización………………………………………………………77
Tabla 4.4: Calentamiento del agua – tiempo (alta insolación)……………….87
Tabla 4.5: Calentamiento del agua – tiempo (media insolación)…………….88
Tabla 4.6: Calentamiento del agua – tiempo (baja insolación)………………89
Tabla 5.1: Costos Materiales Adquiridos……………………………………….92
Tabla 5.2: Costos Mano de Obra………………………………………………..92
Tabla 5.3: Costos Máquinas Herramientas………………………………….....92
Tabla 5.4: Costos Transporte……………………………………………….…...93
Tabla 5.5: Costos Ingenieril..………………………………………………..…...93
INDICE DE FIGURAS Pág.
Fig. 2.1: Colector solar de placa plana esmaltada……………………………12
Fig. 2.2: Colector solar de placa termosifón……..……………………………13
Fig. 2.3: Sistema termosifón colector - tanque integrado..…………………..16
Fig. 2.4: Sistema solar con tubo evacuado……………………………………17
Fig. 2.5: Sistema convencional de punto………...……………………………18
Fig. 2.6: Sistema convencional de paso………….……………………………20
Fig. 2.7: Sistema convencional de acumulación………………………..….…22
Fig. 2.8: Calderas…………………………………...……………………………23
Fig. 3.1: Heliógrafo………………………………….…………………………....29
Fig. 3.2: Termómetros ambiental y termo higrómetro.………………………..31
Fig. 3.3: Anemómetro o medidor de viento……….……………………………32
Fig. 3.4: Colector placa para calentamiento de agua…………………………55
Fig. 4.1: Red térmica equivalente………………….……………………………60
Fig. 4.2: Balance térmico del sistema……………...………………………..…65
Fig. 4.3: Aleta rectangular…………………………..……………………………66
Fig. 4.4: Eficiencia – gradiente temperatura…………………………………...73
Fig. 4.5: Estandarización de colectores solares….……………………………78
Fig. 4.6: Panel absorbedor…………….…………………………………………79
Fig. 4.7: Tanque reservorio aislado……………………………………………..80
Fig. 4.8: Tuberías de ingreso de agua fría………...……………………………81
Fig. 4.9: Tuberías de salida de agua caliente…….…………………………….82
Fig. 4.10: Sistema instalado y funcionando…………………………………..…85
Fig. 4.11: Calentamiento del agua – tiempo (alta insolación)………………….87
Fig. 4.12: Calentamiento del agua – tiempo (mediana insolación)……………88
Fig. 4.13: Calentamiento del agua – tiempo (baja insolación)…………….89
Fig. 5.1: Tasa interna de retorno (TIR)………………………………………95
Fig. 5.2: Análisis del punto de equilibrio……………………………………..96
ANEXOS:
Anexo 1: Plano de Riobamba
Anexo 2: Encuesta
Anexo 3: Absorbencia de la placa
Anexo 4: Transmisión de la cubierta
Anexo 5: Conductividad del aislamiento y aleta
Anexo 6: Tasas de interés para financiamiento
Anexo 7: Estandarización programa Visual Basic
SUMARIO
El trabajo investigativo sobre Estandarización de Sistemas de Calentamiento de Agua con Energía Solar en la Ciudad de Riobamba consta secuencialmente de: Justificación técnica, social, económica, ambiental del proyecto y objetivización del mismo. Tiene un sustento teórico que permite conocer las ventajas y desventajas de sistemas de calentamiento de agua de uso doméstico.
Se procedió a efectuar el análisis de las variables de dimensionamiento de sistemas energéticos, esto es: demanda energética y recurso disponible, que al compatibilizarlos permitieron determinar teóricamente el área del panel solar a utilizar.
Se efectuó un trabajo de campo para determinar en Riobamba, la factibilidad de implementación de sistemas solares para calentamiento de agua para uso doméstico en base de encuestas a los potenciales usuarios quienes manifestaron en un 74% la aceptación de la implementación del sistema energético alternativo.
El método utilizado fue una modelación matemática que considera factores mecánicos, térmicos e hidráulicos se determina la eficiencia del sistema de calentamiento de agua con energía solar, obteniendo un 58% de eficiencia del equipo, valor considerado muy bueno y que permitieron posteriormente una estandarización de sistemas solares para calentamiento de agua de uso doméstico en un amplio rango de utilización.
La estandarización consistió en determinar el área de los paneles solares para calentamiento de agua de uso doméstico en función de dos variables: número de usuarios y radiación solar disponible, esta estandarización cubrió un rango de 1 a 20 usuarios y radiación incidente entre 200 y 1000 W/m2.
Los materiales utilizados en la investigación correspondieron al equipo estandarizado para una familia típica en Riobamba de 5 personas, con uso de 250 litros de agua temperada al día y temperatura de 40 oC es de 2 m2 y tiene un costo total de 1,001 dólares, fácilmente amortizables en un lapso de aproximadamente 3 años.
Se concluye y recomienda el uso de este tipo de energía renovable (solar) como una alternativa energética económica y ecológica.
SUMMARY
The research work about Standardization Water Heating Systems with Solar Energy on Riobamba city use sequentially consists of: Technical, social, economic, environmental justification of the project and objectification.
The project has a theoretic support that allows you to know the advantages and disadvantages of water heating systems for domestic use.
It was proceed to effect the analysis of the variables of size of energy systems, this is: energetic demand and available resource, which allows compatibly them to determine the area of solar panel.
It was take in effect a field work to determine on Riobamba city the feasibility of implementation of solar systems for water heating for domestic based on surveys of potential users who demonstrate a 74% acceptance of the implementation of alternative energy system.
Through a mathematical model that consider mechanical facts , thermic and hydraulic that determines the efficiency of heating water with solar energy, achieving a 58% efficiency of the equipment, the considered value is very good and later permit a standardization of solar systems for heating water in a wide range of use.
The standardization was consist in to determine the area of solar panels to heat water for domestic use in function of two variables: number of users and available solar radiation, this standardization covers a range from 1 to 20 users and incident radiation between 200 and 1000 W / m2.
The standardized equipment for a typical family of 5 persons in Riobamba, using 250 liters of tempered water to the day and temperature of 40 oC is 2 m2 and has a total cost of $ 1001, easily redeemable at a period of approximately 3 years.
It is concluded and recommended the use of alternate energy (solar) as an economical and ecological alternative.
CAPITULO I
1. GENERALIDADES, JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS
1.1. ANTECEDENTES
La energía es el eje donde gira el desarrollo técnico de la civilización, es
por esta razón que desde los primeros tiempos el hombre se propuso ocupar
variadas formas de energías para satisfacer sus necesidades elementales.
Entre las principales fuentes energéticas utilizadas, se tienen las
energías naturales, conocidas también como renovables, alternativas, no
perecibles o de flujo y entre estas se anotan: la solar, eólica, hidráulica,
biomasas, entre otras, que sirvieron a la humanidad en sus necesidades
energéticas. Estas fuentes de energía se siguen utilizando como alternativas
de solución ante la carencia y elevados costos particularmente del petróleo y
sus derivados.
El sol se ha constituido en todas las épocas una fuente energética
natural irremplazable para la humanidad porque gracias a su abundante y
gratuito potencial energético, se puede tener aplicaciones variadas como:
calentamiento de agua de uso doméstico, generación de vapor, secado de
productos, ambientación, climatización, obtención de hidrógeno, obtención de
temperaturas elevadas, etc., que son aplicaciones que a diario se utilizan tanto
en los sectores domésticos como industriales.
Se anota que las aplicaciones energéticas del sol se remontan a
principios de la humanidad y en la actualidad han cobrado gran importancia,
por las siguientes características: (11)
• Es una energía abundante
• Gratuita
• Descentralizante
• Fuente energética limpia y ecológica
• Tecnología accesible al medio
• Costos de generación amortizables
• Energía renovable
Razones que han permitido a diversos países del mundo, de la Región,
a diversificar e incrementar su utilización energética convencional con esta
importante fuente natural proveniente del sol.
En el Ecuador desde los años 80´s, diferentes instituciones públicas
como privadas han efectuado estudios y esfuerzos significativos para el
aprovechamiento de la energía del sol, entre estas instituciones se debe
mencionar:
• La Organización Latinoamericana de Energía (OLADE).
• El ex Instituto Nacional de Energía (INE), actualmente la División de
Energías Renovables del Ministerio de Energía del Ecuador.
• Universidades y Politécnicas del Ecuador, particularmente la Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH) y su Facultad de
Mecánica y el ex Centro de Investigación de Energías Alternativas
(CIEA).
• La Fundación Ecuatoriana de Tecnologías Alternativas (FEDETA).
• Investigadores particulares.
Que han efectuado trabajo de prospección del recurso solar, diseño de
equipos y prototipos experimentales y productivos, que han insertado al
Ecuador en el campo de la transformación de energía solar y se ha
determinado la factibilidad técnica de proceder a desarrollar a pequeña y
mediana escala la transformación energética del sol, particularmente en el
calentamiento de agua de uso doméstico.
Entre otros trabajos que la ESPOCH ha efectuado en el
aprovechamiento de la energía solar se anotan:
• Diseño y experimentación de prototipos de calentadores de agua con
energía solar de uso doméstico.
• Diseño, construcción y pruebas de sistemas de calentamiento de agua
en diferentes lugares, comunidades.
• Diseño, construcción y funcionamiento de calentadores de aire con
energía solar (secadores de alfalfa, gallinaza, cereales, ropa, otros).
• Diseño de sistemas de climatización y ambientación para uso
automotriz, vegetal, animal.
• Montaje y operación de sistema de calentamiento de agua para uso en
biodigestores.
Que sitúan a la ESPOCH y su Facultad de Mecánica en la vanguardia a
nivel nacional en la ejecución de trabajos energéticos en base a energía solar.
Se pretende con el presente trabajo efectuar un estudio para
estandarizar los sistemas de calentamiento de agua con energía solar y buscar
la factibilidad de implementar masivamente en la ciudad de Riobamba, este tipo
de sistemas térmicos, que estén al alcance de toda la comunidad riobambeña,
y que permita cambiar a mediano plazo, el uso actual de combustibles fósiles
(G.L.P.), así como la electricidad en el calentamiento de agua para uso
sanitario como una alternativa energética económica, ecológica y popular.
1.2. JUSTIFICACIÓN TÉCNICO ECONÓMICA Y AMBIENTAL
El proyecto que se plantea relacionado al aprovechamiento de la energía
solar se justifica desde los siguientes puntos de vista:
El Ecuador para satisfacer su demanda energética utilizada en los
diferentes sectores, sustenta su generación, mediante la transformación de la
energía cinética y potencial del recurso hídrico (hidráulica) y la combustión de
petróleo y sus derivados (térmica), en función de las diferentes plantas de
transformación de energía instaladas, el componente energético proveniente
del sol es nulo y no consta en el inventario energético nacional.
La utilización de la energía para fines sanitarios en el sector urbano y
rural de la Ciudad de Riobamba, Provincia y País en general se circunscriben a
la utilización de fuentes tradicionales de energía que generalmente proviene de
la combustión de derivados del petróleo (térmica) u obtención de energía
hidroeléctrica, que generalmente proporcionan luego de varias etapas de
transformación fluido eléctrico que es indiscriminadamente utilizado como
fuente final de energía, para la obtención de agua caliente para consumo
sanitario.
Es menester recordar, que la transformación de energía primaria
(petróleo y derivados) en energía útil (electricidad) conlleva una eficiencia
térmica de alrededor de 30%, y la energía hidroeléctrica en un 80%, la
eficiencia de transformación de energía primaria (sol) en energía útil (agua
caliente) está en el orden de 30-70%, con la característica de que la energía
primaria (sol) es completamente gratuita y abundante, así como inagotable, no
así el precio del petróleo que en los actuales días bordea los 50 dólares el
barril. (6)
Es conocido el alto índice de contaminación que acarrea consigo la
transformación de la energía proveniente del petróleo e hidráulica, por la alta
generación de gases contaminantes en el primer caso, de sedimentación y
escases de agua en el segundo, mientras que con la utilización del recurso
solar en el calentamiento del agua para uso sanitario, no conlleva
contaminación de ninguna naturaleza.
Los costos de transformación de energía solar en uso térmico, es
fácilmente amortizable en el tiempo, como se demostrará a lo largo de este
estudio.
Por estas consideraciones técnicas, sociales, económicas, ambientales,
se justifica plenamente la realización del proyecto de estandarización de
sistemas de calentamiento de agua con energía solar y la implementación
masiva del uso de calentadores solares de agua para uso doméstico en la
Ciudad de Riobamba, proyecto que pretende constituirse en un estudio
demostrativo de las bondades técnicas, económicas, sociales, ecológicas del
uso de la energía solar como alternativa válida para la ciudad y modelo para el
Ecuador.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. General
Estandarizar los sistemas solares de calentamiento de agua con fines
domésticos en la Ciudad de Riobamba como alternativa energética.
1.3.2. Específicos
• Estudiar las generalidades para implementación del sistema
energético alternativo.
• Determinar la demanda energética para calentamiento del agua de
uso doméstico en la Ciudad de Riobamba.
• Calcular el potencial energético del sol en la ciudad de Riobamba.
• Proyectar y dimensionar el sistema de calentamiento de agua con
energía solar modelo.
• Estandarizar los equipos de calentamiento de agua con energía solar
para el proyecto en función de las variables: radiación solar, número
de usuarios y dimensión de los equipos (área de colectores).
• Efectuar el análisis de costos y rentabilidad del sistema y del
proyecto.
• Efectuar el rediseño y pruebas de funcionamiento de un sistema de
calentamiento de agua con energía solar modelo.
• Entregar a la Facultad de Mecánica un sistema de calentamiento de
energía solar tipo, para prácticas estudiantiles.
CAPITULO II
2. MARCO TEÓRICO DEL PROYECTO
2.1. GENERALIDADES
La fuente de energía por excelencia en la tierra es la proveniente del sol,
a excepción de las energías geotérmica y nuclear el resto de las fuentes
energéticas empleadas por el ser humano tienen un origen solar. Por ejemplo,
los combustibles fósiles son el resultado de la energía de origen solar
acumulada en determinados seres vivos que al pasar el tiempo (millones de
años) reaccionan químicamente formando petróleo, gas o carbón. En la
energía eólica, el viento es el resultado de la diferencia de presión de dos
masas de aire calentadas de manera diferente por la energía solar.
La radiación solar incidente en la tierra puede aprovecharse, por su
capacidad para calentar o directamente, a través del aprovechamiento de la
radiación en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es un tipo de energía renovable
limpia, lo que se conoce como energía verde.
La potencia de la radiación varía según el momento del día, las
condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud geográfica. Se puede
asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es de
aproximadamente 1000 W/m² en la superficie terrestre. A esta potencia se la
conoce como irradiancia, densidad de potencia. (8)
La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en
la suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco
solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la
bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y
refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos
atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse
para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que
proviene de todas las direcciones.
La potencia generada por el sol es unos doscientos billones de veces
más grande que la generada por todas las plantas industriales del mundo
trabajando a la vez. En un segundo, el sol irradia mucha más energía que la
consumida por la humanidad en toda su existencia. Sólo una pequeña parte de
la energía irradiada por el sol llega a la superficie terrestre. Sin embargo, ésta
supone al año unas diez mil veces la demanda energética de toda la población
mundial en el mismo periodo, o lo que es lo mismo, en una hora la tierra recibe
más energía de sol de la que toda la humanidad necesita en todo un año.
2.2. LA ENERGÍA SOLAR EN ECUADOR Y EL MUNDO
A todo nivel geográfico tanto en países desarrollados como en los en
vías de desarrollo, se utilizan fuentes alternas de energía y particularmente
aplicaciones de la energía solar.
Desde la época de los años 70´s, en diferentes latitudes del mundo se
empezó a diversificar el uso de la energía solar dentro del contexto energético
mundial, es así como países del primer mundo (EE.UU, Alemania, Francia,
Canadá, Rusia, China, Italia, otros) prestan gran atención al uso de la energía
solar con fines térmicos y fotovoltaicos e introducen importantes porcentajes de
generación energética mediante esta fuente.
Igualmente en países subdesarrollados y entre estos Ecuador también
se hacen esfuerzos por investigar, adaptar y desarrollar fuentes alternativas de
energía, particularmente en el calentamiento de agua de uso doméstico,
mediante esfuerzos aislados de profesionales, centros de investigación y
desarrollo de energía renovables, las Escuelas Politécnicas y Universidades
del País, desarrollan estudios variados relacionados con:
• Determinación del potencial solar en diferentes latitudes.
• Diseño de prototipos de colectores solares para calentamiento de agua
de uso doméstico.
• Diseño y construcción de equipos solares.
• Funcionamiento de colectores solares planos para calentamiento de
agua.
• Estudio sobre materiales para colectores solares planos.
• Instalaciones domésticas a baja escala.
• Comercialización de equipos de calentamiento de agua.
• Escalamiento de equipos solares.
Las Instituciones que han efectuado trabajos importantes en este
aspecto son:
• Escuelas Politécnicas (EPN, ESPOL, ESPOCH, ESPE).
• Centros de Investigación y Desarrollo de Tecnologías: Ex INE (Instituto
Nacional de Energía), Ex CIEA (Centro de Investigación de Energía
alternativa).
• Federación Ecuatoriana de Tecnología Apropiada (FEDETA).
• Empresas privadas (SOLARTEC, Instalcobre).
• Otros.
Instituciones y Empresas que han desarrollado modelos, prototipos y
equipos de calentamiento de agua con energía solar, de variada condición
tecnológica, costos y eficiencias, que han sido introducidos al medio con
muchos inconvenientes, particularmente por la idiosincrasia de la gente, que
procura servicios inmediatistas como el uso del agua caliente mediante
electricidad y G.L.P., que es aparentemente más barato y de uso inmediato, no
así la energía solar por su costo alto en la instalación, factores que serán
analizados en capítulos posteriores.
2.3. SISTEMAS DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO D E AGUA
DE USO DOMÉSTICO
Existen diferentes tipos de colectores solares para calentamiento
de agua de uso doméstico, entre los que se anotan: (9)
2.3.1. Colector de placa plana esmaltada
El colector esmaltado es una caja resistente al clima que contiene una
placa absorbente debajo de una o mas capas de plástico (polímero) o vidrio.
Colectores de placas sin esmalte típicamente utilizados para calentar piscinas,
tienen una placa absorbente oscura construida de metal o polímero, sin capas
o cajas.
Fig. 2.1: Colector solar de placa plana esmaltada
2.3.2. Sistema termosifón
El agua fluye a través del sistema cuando el agua caliente sube a
medida que agua mas helada se sumerge. El colector debe ser instalado abajo
del tanque de agua de tal forma que el agua caliente ascenderá dentro del
tanque que esta ubicado en la parte superior del colector. Estos sistemas son
confiables, pero el instalador debe fijarse en el diseño del techo por el alto peso
del tanque de agua. Debido a que el tanque es instalado en el techo, estos
sistemas son menos atractivos y típicamente pesan 800 libras (363 Kg) cuando
están llenos de agua. Estos son también, generalmente mas caros que los
sistemas integrados con tanque pasivo. (9)
Fig. 2.2: Colector solar de placa plana termosifón
2.3.3. Sistemas colector - tanque integrados
Estos también son conocidos por las iníciales de su nombre en Inglés
Integral Collector-Storage (ICS). Estos tienen uno o más tanques negros o
tubos en una caja esmaltada. Agua helada pasa primero por el colector solar, el
cual pre-calienta el agua. El agua luego continua hacia el calentador
convencional de respaldo. Estos pueden ser instalados solamente en lugares
con climas de poco congelamiento porque la tubería exterior puede congelarse
en climas más fríos. Como el tanque de agua se instala en el techo, estos
pesan más de 800 libras (363 Kg.) llenos de agua. (9)
Fig. 2.3: Sistema termosifón colector-tanque integr ado
2.3.4. Colectores solares con tubo evacuado
Estos tienen filas paralelas de tubos transparentes de vidrio. Cada tubo
contiene un tubo de vidrio por fuera y un tubo absorbedor metálico pegado a
una aleta. La capa de estos tubos absorbe la energía solar pero produce una
perdida de calor radioactiva. Estos colectores de alta temperatura son
frecuentemente usados en aplicaciones comerciales debido a que las
aplicaciones domésticas no requieren tanto calor. (9)
Fig. 2.4: Sistema solar con tubo evacuado
2.4. SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CONVENCIONAL ES
2.4.1. Calentadores de punto
Estos calentadores son unidades muy pequeñas instaladas a pocos
centímetros del lugar donde se requiere el agua caliente. Son alimentados con
electricidad y se activan automáticamente por flujo o manualmente con un
interruptor. Su uso es comercial y doméstico. (9)
Tienen un elevado consumo eléctrico que van desde 1500 W. a 5400 W.
Solo tienen un uso práctico en países de clima templado, dada su baja
capacidad de calentamiento.
Se puede encontrar ejemplos de su uso instalados directamente a
lavamanos o como las famosas duchas (regaderas) de punto, muy utilizadas en
viviendas económicas en países de clima templado.
Fig. 2.5: Sistema convencional de punto
2.4.2. Calentadores de paso
También se llaman calentadores sin tanque o calentadores de flujo son
también de reducido tamaño en los modelos eléctricos y algo más grandes en
los modelos de gas natural o G.L.P. Son unidades que están apagadas, sin
consumir energía, un sensor de flujo se activa cuando detectan circulación de
agua e inician su procedimiento de calentamiento. Los modelos eléctricos van
desde los 8.000 W. (1,91 Kcalorías/s) hasta los 22.000 W (5,26 Kcalorías/s).
Los modelos a gas pueden alcanzar las 8 Kcal/s como es el caso de un
calentador de 18 Lt./min. Los modelos eléctricos están equipados con
resistencias calentadoras de inmersión y los de gas encienden una llama que
calienta un intercambiador de calor por donde circula el agua. (9)
Los modelos más avanzados están equipados con controles electrónicos
de temperatura y caudalímetros. De esta manera el usuario puede seleccionar
la temperatura que desea en grados. El controlador electrónico mide el flujo de
agua que está circulando, la temperatura de entrada, y gradúa la potencia que
aplicarán las resistencias de calentamiento en el caso de los modelos eléctricos
o el tamaño de la llama en los modelos a gas.
Fig. 2.6: Sistema convencional de paso
2.4.3. Calentadores de acumulación
Estos calentadores poseen un tanque donde acumulan el agua y la
calientan hasta alcanzar una temperatura seleccionada en su termostato. La
capacidad de su tanque es muy variable y va desde los 15 litros hasta modelos
de 1000 litros. Utilizan como energía gas natural, gas propano (G.L.P.),
electricidad, carbón, luz solar, madera o keroseno. Para la selección del
tamaño debemos considerar la cantidad de agua caliente que se pueda
requerir en determinado momento, la temperatura de entrada del agua y el
espacio utilizable. (9)
Estos calentadores tienen la ventaja de suministrar agua caliente a
temperatura constante por tantos litros como casi la totalidad de tanque.
Además la temperatura del agua que surte no se ve afectada si se abren o
cierran otras llaves conectadas al mismo calentador. Su desventaja está en el
tamaño de su tanque, si llegamos a agotar el agua caliente del mismo pueden
pasar largos periodos antes de que se recupere el calor.
Al momento de escoger un modelo de tanque debemos tener en cuenta
el tipo y calidad de aislamiento térmico que posee. Si seleccionamos un modelo
económico pagaremos ese ahorro después en la cuenta de electricidad o gas,
ya que un aislamiento deficiente permite que se escape el calor del agua al
ambiente, obligando al calentador a gastar más energía para volver a recuperar
la temperatura.
Fig. 2.7: Sistema convencional de acumulación
2.4.4. Calderas
Las calderas son sin duda los sistemas más eficientes para calentar y
proveer agua caliente, manteniendo una temperatura constante sin importar el
uso. Un sistema de caldera bien equilibrado puede proveer agua caliente para
calefacción y para uso directo simultáneamente. Las calderas proveen vapor
para usos comerciales e industriales de manera segura y eficiente. (7)
Existen varios tipos de calderas pero en su concepto básico son envases
de metal (cobre, acero inoxidable o hierro colado) por donde circula el agua.
Este envase es atravesado por barras calientes. El combustible para calentar
estas barras puede ser gas, combustible fósil, madera, fisión nuclear o incluso
resistencias calentadoras si es eléctrico. El agua circula, en algunos casos por
medio de una bomba de agua a través de tuberías que recorren los lugares
donde se requiera el agua caliente o vapor. El agua no utilizada regresa a la
caldera para reiniciar el ciclo. Un sistema de nivel mide el faltante de agua y la
agrega en caso de ser necesario.
Para las viviendas se justifica el uso de calderas en países de climas con
4 estaciones marcadas, donde el invierno requiera calefacción. Además en
usos comerciales como hotelería y complejos deportivos donde son
indispensables.
Fig. 2.8: Calderas
2.5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR
2.5.1. Ventajas
• El sol es una fuente de energía renovable, nunca se terminará esta
energía y no se la gasta. (11)
• Potenciales abundantes
• Descentralizantes
• No son contaminantes
• No se gastará en combustibles, aceites, tiempo y costo de movilización.
• Los paneles solares no necesitan mantenimiento.
• Se puede aumentar el sistema solar en un futuro y su manejo es fácil.
• Se pueden revender los equipos solares porque tienen un precio
relativamente estable.
2.5.2. Desventajas
• Tecnologías más complejas, pero accesibles al medio
• Costos de instalación más elevados
• Aleatorias en su potencial
• Baja aceptación social
CAPITULO III
3. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA ENERGÉTICO
3.1. VARIABLES DE DIMENSIONAMIENTO DEL PROYECTO
La proyección de equipos energéticos ó el conocimiento de la dimensión
característica del equipo o sistema, en el caso de energía solar, el área de los
paneles solares, se basa en la determinación de dos variables: (10)
• Recurso energético disponible (cantidad de radiación solar incidente)
• Necesidad ó demanda energética (necesidad de agua caliente)
Identificados estos dos parámetros se puede confrontar los mismos y
buscar una alternativa de equipo de transformación de energía solar para
calentamiento de agua, sea de uso doméstico o industrial.
3.1.1. Recurso energético disponible
Es la cantidad de radiación solar que llega a la superficie de la tierra, y
se puede determinar por diferentes expresiones matemáticas, entre las más
conocidas, se tiene: Glover y Mc Culloch, Liu - Jordan, Page, para el presente
trabajo se determinará la radiación solar incidente por el primer método, que es
una expresión que permite conocer con exactitud la radiación incidente en
cualquier posición geográfica de la tierra, en función de la heliofanía promedio
del lugar y la latitud geográfica del mismo. (5)
� = �� �0.29 ∗ cos Ø + 0.52 ∗ ��� (3.1)
Donde:
I = Radiación solar incidente en la superficie terrestre (W/m2)
Go = Constante solar o radiación que llega a la atmósfera (1353 W/m2)
Cos φ = Coseno del ángulo de latitud geográfica, para Riobamba, 1º 38
min. Latitud sur. (Medición mediante G.P.S.)
0.29 y 0.52 = Coeficientes experimentales que corrigen la radiación solar
incidente, en función de la dispersión de la radiación solar al atravesar la
atmósfera
n = Número de horas de sol brillante al día (heliofanía)
N = Número máximo de horas de sol al día en la localidad (11.8 horas),
dato proporcionado por la estación agro meteorológica ESPOCH.
3.1.2. Necesidad ó demanda energética
Es la cantidad de energía que se requiere para un determinado fin, en el
caso que se requiera calentar agua se determinará esta demanda mediante la
determinación del calor requerido para calentar el fluido: (10)
� = � ∗ �� ∗ ��� − ��� (3.2)
Donde:
Q = Calor requerido para calentar el agua (W)
m = Cantidad de agua a calentar (Lts, Kg.)
cp = Calor específico del agua (1 Kcal/Kg oK)
Ti, Tf = Temperaturas del fluido frío y caliente, respectivamente (oK)
De tal forma que al igualar las ecuaciones de recurso disponible y
demanda requerida, se puede encontrar el área de colectores solares para el
calentamiento del agua.
� = �∗ !∗�"#$"%�&∗�'∗(
(3.3)
Donde:
A = Área de colectores solares (m2)
η = Eficiencia del sistema de calentamiento (0.3...0.7)
n1 = Número de horas que trabaja el colector solar
3.2. RECURSO SOLAR DISPONIBLE EN RIOBAMBA
Para el conocimiento acertado de la intensidad de radiación solar que
incide en la ciudad de Riobamba o en cualquier otra localidad del Ecuador o
región del mundo se requiere conocer con buena exactitud la cantidad de horas
de sol brillante, por lo que es necesario efectuar una investigación de campo
relacionada con la toma, ordenamiento y procesamiento de esta variable por el
lapso de al menos diez (10) años atrás, que proporcionaría gran confiabilidad
en la determinación de la radiación solar de la localidad.
Por lo que, valiéndose de la información meteorológica recopilada por la
Facultad de Recursos Naturales de la ESPOCH, sobre la heliofanía de nuestra
ciudad y en base de procesar datos mensuales, anuales se obtendrá la
heliofanía promedio de los últimos diez años.
Estos datos de horas de sol brillante se recopilan diariamente en la
estación meteorológica, mediante el aparato denominado heliógrafo, que se
muestra en la figura 3.1
Fig. 3.1. Heliógrafo
Del procesamiento estadístico y matemático de los datos recopilados, se
determina que la heliofanía en la ciudad de Riobamba es de 4.8 horas de sol
brillante al día, para lo que se analizó la misma en un período de al menos diez
años (dato recomendado por la Organización Mundial de Meteorología).
TABLA 3.1: HELIOFANÍA PROMEDIO DE RIOBAMBA (Horas s ol/día)
AÑOS/MES ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. PROM. 1997 5,9 4,8 5,2 5,7 5,9 6,3 6,3 5,2 4,4 5,5 4,2 5,4 5,4 1998 4,9 2,7 4,5 4,9 5,1 5,0 4,9 5,0 5,0 5,7 6,7 7,9 5,2 1999 5,2 2,9 4,3 4,8 4,4 4,6 5,7 5,0 3,4 5,0 6,7 4,7 4,7 2000 4,9 4,2 3,8 4,7 4,5 5,2 6,0 4,7 3,8 6,6 7,6 6,5 5,2 2001 5,4 5,5 4,2 4,7 5,2 6,8 3,1 2,7 4,3 7,1 5,5 6,1 5,1 2002 6,3 4,8 3,6 4,6 3,8 3,4 4,2 4,8 4,7 3,8 2,6 2,9 4,1 2003 3,8 3,3 2,3 3,1 1,8 1,5 5,0 2,6 1,7 5,3 5,3 4,7 3,4 2004 8,1 4,8 3,4 4,2 4,9 5,5 5,5 6,3 4,5 5,2 5,3 6,1 5,3 2005 6,7 4,4 3,2 5,9 4,9 5,4 7,2 5,2 5,5 3,8 7,6 3,1 5,2 2006 4,8 6,7 4,3 3,9 6,7 5,5 5,3 4,2 4,1 5,7 5,2 4,2 5,0 2007 3,2 6,2 3,8 3,8 5,3 3,7 7,0 5,2 3,1 4,4 5,0 4,5 4,6
En la tabla 3.1, se muestran los datos estadísticos de la heliofanía en
Riobamba, de los últimos once (11) años:
Fuente: Estación agro meteorológica de la ESPOCH
Además, para conocer el número máximo de horas de sol brillante en la
última década, se ha analizado los datos diarios en la mencionada estación
meteorológica y se tiene como valor 11.8 horas de sol brillante al día.
3.2.1. Variables físicas: temperatura, humedad rela tiva, viento
Es necesario para la ejecución de proyectos energéticos solares,
conocer las variables físicas promedio del ambiente de la localidad donde se
instalaría el sistema de calentamiento de agua con energía solar por lo que se
requiere determinar:
• Temperatura ambiental (0C)
• Humedad relativa del aire (%)
• Velocidad del viento (m/s)
De la misma forma, se efectúa el procesamiento estadístico de estas
variables con los datos obtenidos en los equipos de la estación meteorológica
que se muestra en las figuras 3.2 (termómetros de bulbo y termo higrómetro) y
3.3 (anemómetro) y se tienen en el mismo período los valores mostrados en las
tablas 3.2, 3.3 y 3.4:
PROM. 5,4 4,6 3,9 4,6 4,8 4,8 5,5 4,6 4,0 5,3 5,6 5,1 4,8
Fig. 3.2. Termómetro ambiental y termo higrómetro
Fig. 3.3. Anemómetro
TABLA 3.2: TEMPERATURA AMBIENTE PROMEDIO DE RIOBAMB A (oC)
AÑOS/MES ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. PROM.1997 13,7 13 13,9 13,3 13,3 13,1 11,8 11,8 13 14,1 13,5 14 13,21998 14 14 14,5 14,4 13,5 12,5 11,9 12,1 12,8 13,4 14,4 14,3 13,51999 13,8 13 13 12,7 12,4 12,4 11,7 12 12,3 12,8 13,9 13,7 12,82000 13,3 12 12,7 12,6 12,5 12,4 11,8 11,3 12,4 13,2 13,9 13,3 12,72001 12,9 13 13,1 13,6 13,7 12,6 12,8 13,9 13 14,9 14,2 14,5 13,52002 14,4 14 13,9 14,2 13,9 12,3 12,9 12,4 13,1 13,1 12,9 13,7 13,42003 14,1 14 13,4 12,8 13,3 11,8 12,1 12,9 14,4 14,6 14,2 13,8 13,52004 15,5 14 14,4 13,8 13,8 12,8 12,5 12,6 13,4 14,2 14,3 14,4 13,82005 17,1 15 13,5 14,3 14,9 13,8 13,3 13,4 14 13,8 14,5 13,7 14,22006 14 14 13,6 13,7 13,8 12,5 12,6 12,9 13,2 14,4 13,6 14,1 13,62007 14,6 15 13,8 13,4 13,8 12 12,9 12,3 12,1 13,4 13,6 14,3 13,4
PROM. 14,3 13,8 13,6 13,5 13,5 12,6 12,4 12,5 13,1 13,8 13,9 14,0 13,4Fuente: Estación agro meteorológica de la ESPOCH
TABLA 3.3: HUMEDAD PROMEDIO DE RIOBAMBA (%)
AÑOS/MES ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. PROM.1997 68 68 67 70 71 66 68 63 64 63 74 69 67,61998 70 71 72 75 73 71 71 65 61 66 65 53 67,81999 64 71 69 71 73 71 66 61 65 60 58 64 66,12000 63,5 67,3 67,9 70,5 71,9 68,4 62,3 63,2 62,8 57,1 49,7 59,5 63,72001 60,3 61,7 65,5 63,5 62,4 61,7 60,6 50,5 56,9 51,8 55,8 60,4 59,32002 55,8 60,5 65,8 63,6 64,4 63,5 62,8 60,6 55,8 62,6 66,2 67,7 62,42003 59,3 63,4 63,6 63,8 62,5 64,8 61,3 57,7 52,9 56,3 59 61 60,52004 47,3 60,4 59,7 59 53,9 52,2 44,9 41 43,8 42,1 41,5 39,5 48,82005 36,1 50,8 63,7 61,7 54 58 60,1 59,1 58,4 71,8 58,6 72,2 58,72006 68,6 71,9 83,5 68,9 82,2 74,6 66,1 52,8 54,7 46,3 63,9 68 66,82007 58,8 63,4 80,1 74,3 71,6 74 63,4 64,9 63,8 66,2 68,5 63,7 67,7
PROM. 59,2 64,5 68,9 67,4 67,3 65,9 62,4 58,1 58,1 58,5 60,0 61,6 62,7Fuente: Estación agro meteorológica de la ESPOCH
TABLA 3.4: VELOCIDAD DE VIENTO PROMEDIO DE RIOBAMBA (m/s)
AÑOS/MES ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. PROM.1997 1,6 1,8 1,8 1,9 1,9 2 2,2 2,6 2,2 1,9 1,5 2 2,01998 2 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 2,1 2,2 1,9 1,9 2,2 1,81999 2,2 1,7 1,8 1,9 1,8 1,8 2,5 2,5 1,9 2,1 2,1 1,8 2,02000 2,1 2 1,9 1,9 1,8 2,2 2,9 2,3 2,6 2,5 2,8 2,5 2,3
2001 2,4 2,6 2,1 2,4 2,6 2,8 2,8 3 2,4 2,7 2,5 2,7 2,62002 2,4 2,4 2,2 2,2 2,2 2,4 2,9 2,9 2,8 2,6 2,2 2,1 2,42003 2,7 2,7 2 2,5 2,3 1,9 2,7 2,8 2,7 2,4 2,2 2,2 2,42004 2,5 2,3 2,7 2,3 2,4 2,8 2,9 2,9 1,9 2,2 2,9 2 2,52005 2,3 2,1 1,8 2 2,3 2,3 2,8 2,6 2,7 1,6 2,2 5,8 2,52006 2,3 1,9 2,2 1,5 1,7 1,9 2,6 4 2 2,2 2 1,8 2,22007 2,2 2,3 2,3 1,6 1,7 1,9 2,4 2 2,2 2 2 1,8 2,0
PROM. 2,2 2,1 2,0 2,0 2,0 2,1 2,6 2,7 2,3 2,2 2,2 2,4 2,3Fuente: Estación agro meteorológica de la ESPOCH
3.2.2. Cálculo del potencial solar
En tal virtud, reemplazando los valores determinados en la investigación
de campo, en la ecuación (3.1), se determina la radiación promedio para la
ciudad de Riobamba, según el método de Glover y Mc Culloch, como:
� = 1353 +�, -0.29 ∗ cos.1.630 + 0.52 1 4.8
11.84 5
I = 678,41 W/m2
3.3. DEMANDA ENERGÉTICA DE LA CIUDAD DE RIOBAMBA PA RA
CALENTAMIENTO DE AGUA DE USO DOMÉSTICO
En la ciudad de Riobamba la demanda energética para calentamiento de
agua de uso doméstico está basada en el consumo de energía eléctrica y gas
licuado de petróleo (GLP).
Los equipos más utilizados son los calentadores de punto, que
dependiendo de la marca y costos, su consumo energético varía de entre los
3500 a 5400 W., con los consiguientes costos por concepto de consumo de la
energía.
Mientras que al consumir G.L.P., utilizando calefones, el consumo y
costos energéticos es relativamente bajo, ya que su uso está basado en un
tanque de 15 Kg. de G.L.P., la dificultad en su uso es el peligro que conlleva el
funcionamiento y es contaminante.
El consumo de energía eléctrica en la Ciudad de Riobamba es de
254,458.38 Kw-h/diario, por lo que el consumo anual es de 91, 605,018 Kw-h/
anual. Los valores mostrados son datos entregados por la Empresa Eléctrica
de Riobamba, por lo que dentro de estos está estipulado otro tipo de consumo
como el uso de artefactos eléctricos, focos, etc., datos que se observan en la
tabla 3.5.
TABLA 3.5: CONSUMO ENERGÉTICO EN RIOBAMBA
Característica Consumo Diario
(Kw – h)
Consumo
Mensual (Kw – h)
Consumo
Anual (Kw – h)
Con alumbrado
público
292,063.93 8,761,918.00 105,143,016.00
Sin alumbrado
público
254,458.38 7,633,751.50 91,605,018.00
Fuente: EERSA. Datos del año 2008. Dpto. Técnico
En párrafo posterior se calculará el consumo de energía destinada al
calentamiento de agua de uso doméstico, mediante análisis de campo y
cálculos matemáticos.
3.4. ESTUDIO DEL MERCADO POTENCIAL
El mercado potencial se circunscribe a la Ciudad de Riobamba, ya que el
proyecto se orienta a brindar a la población una alternativa energética, con el
objetivo de disminuir sus gastos en consumo de energía eléctrica.
Si en todas las viviendas que utilizan energía eléctrica para el
calentamiento de agua se instalan paneles solares, los gastos por consumo
eléctrico disminuirían notablemente. El problema está en concienciar y educar
a la ciudadanía para que piense en este tipo de energía como una alternativa
de ahorro energético y económico, así como el control de la contaminación
ambiental.
El costo de instalación de un sistema solar es superior al convencional,
pero con el tiempo este se amortizará, llegando pronto al punto de equilibrio.
3.4.1. Sectorización de la Ciudad
La Ciudad de Riobamba se encuentra ubicada en el centro del País, en
la región interandina y tiene su posición geográfica determinada por:
• Latitud: 1º 38´(S)
• Longitud: 78º 34´(O)
• Altitud: 2.754 m.s.n.m.
Posición geográfica, en el plano catastral de la ciudad (Anexo 1).
La Ciudad de Riobamba tiene una población, según los datos actuales
del Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC)
• Urbana: 174,538 Hab.
• Rural: 40,635 Hab.
• Total: 215,173 Hab.
De acuerdo a los datos recopilados tanto en la EERSA como en el INEC,
se tiene como promedio en cada vivienda 4 personas, consecuentemente, el
número de viviendas que ocupan medidor es de 63,038.
El tipo de viviendas en la ciudad es variable (INEC)
• Viviendas sector urbano: 40,483
• Viviendas sector rural: 22,555
Generalmente las viviendas en la ciudad son de tipo medio en construcción.
La red de distribución eléctrica proviene del Sistema Nacional
Interconectado (SNI) e ingresan a los domicilios como fuente eléctrica de 110-
120 voltios, en casos de viviendas con servicios adicionales como negocios,
talleres se tiene la red de 220 voltios. (EERSA).
3.4.2. Trabajo de campo para determinación de la de manda energética
• Elaboración de la encuesta
Para la elaboración del formato de la encuesta que se realizará a la
ciudadanía de Riobamba, se toma en cuenta los siguientes aspectos:
1. El barrio o sector en el cual se encuentra ubicada la vivienda.
2. Tipo de vivienda que generalmente puede ser casa, departamento,
cuarto en la ciudad de Riobamba.
3. La condición de ocupación de la vivienda, es decir el número de
personas que habitan generalmente en la misma.
4. El tipo de cubierta de la vivienda, este dato indica en que casas es
factible instalar estos equipos.
5. Gastos en planillas de luz lo cual dará un indicativo para comparar entre
el costo de la energía eléctrica y el sistema solar proyectado.
6. Es necesario saber si la ciudadanía conoce y estaría dispuesta a invertir
en calentadores solares.
7. Conocer cual es la fuente de energía convencional mas utilizada
actualmente en la ciudad para calentar agua de uso doméstico.
• Dimensionamiento de la muestra
Para el cálculo del dimensionamiento de la muestra, se tiene en cuenta los
datos otorgados por el INEC, los mismos que ayudaran a tener un valor casi
exacto de la muestra. (13)
Cálculo de la varianza:
6, = ∑ 89$-.∑ :09; 5
�$< (3.4)
Donde:
σ2 = Varianza
N = Número de barrios existentes en Riobamba
X = Número de casas en cada barrio de Riobamba
6, = 29430800 − 1624090000146146 − 1
6, = 126254,45
Cálculo del tamaño de la muestra:
> = �∗?9∗@9.�$<0∗A9B?9∗@9 (3.5)
Donde:
n = Tamaño de la muestra
N = Número total de casas en Riobamba (sector urbano)
Z = 1,96 para una confiabilidad del 95%
E = Error ≈ 5 %
σ2 = Varianza
> = 2742
Se obtiene un valor de 2.742 encuestas para realizarse en todo el sector
urbano de la ciudad de Riobamba.
• Encuesta
En el anexo (2) se muestra la encuesta debidamente preparada
para el conocimiento de la factibilidad de implementación de sistemas de
calentamiento de agua de uso doméstico en la ciudad de Riobamba.
Cuyos datos serán ordenados y procesados en el siguiente numeral.
• Ordenamiento y procesamiento de datos
Para realizar el procesamiento de los datos, se procede a analizar
cada una de las preguntas propuesta en la encuesta, datos que serán
graficados de acuerdo a los resultados obtenidos.
(a) Tipo de vivienda
Casa2265
DEPARTAMENTO
15%
Tipo de vivienda
Casa Departamento Cuarto 2265 412 65
CASA
83%
DEPARTAMENTO CUARTO
2%
VIVIENDA
(b) Condición de ocupación de la vivienda
Personas
6
14%
7
9%
8
6%
Condición de ocupación de la vivienda
# Personas frecuencia
1 51 2 219 3 386 4 579 5 528 6 373 7 245 8 155 9 77
10 90 12 39
1
2%
2
8%3
14%
4
21%5
19%
8
6%
9
3%
10
3%
11
1%
PERSONAS
(c) Cubierta de la vivienda
TEJA
Loza2420
Cubierta de la vivienda
LOZA
88%
TEJA
5%
ZINC
3%
OTROS
4%
CUBIERTA
Loza Teja Zinc Otros 2420 142 77 103
(d) Gastos en planillas de luz
$ 1 a 5128
$ 20 a 4035%
Gastos en planillas de luz
$ 1 a 5 $ 5 a 10 $ 10 a 20 $ 20 a 40 $ 40 a
412 914 966
$ 1 a 55% $ 5 a 10
15%
$ 10 a 2033%
$ 20 a 4035%
$ 40 a más12%
GASTOS
$ 40 a más 322
(e) Conocimiento de la existencia de
agua para uso doméstico
NO
46%
Conocimiento de la existencia de calentadores solares de
agua para uso doméstico
SI NO 1493 1249
SI
54%
NO
46%
EXISTENCIA
calentadores solares de
(f) Implementación de un sistema de calentamiento de ag ua
con energía solar
Implementación de un sistema de calentamiento de ag ua
con energía solar
SI NO 2034 708
SI
74%
NO
26%
IMPLEMENTACIÓN
Implementación de un sistema de calentamiento de ag ua
(g) Fuente de energía utilizada para el calentamiento d e agua
GLP
45%
Fuente de energía utilizada para el calentamiento d e agua
Eléctrica GLP Otros 1396 1233 113
ELECTRICA
51%
OTROS
4%
FUENTES DE ENERGÍA
Fuente de energía utilizada para el calentamiento d e agua
• Análisis de resultados
a) Tipo de vivienda
Debido a que este tipo de equipos deben estar expuestos
directamente a la radiación solar, se requiere que tanto las casas, los
departamentos y en casos excepcionales los cuartos, dispongan de un
espacio apropiado para dicho equipo, dentro de los datos obtenidos, el
83% corresponde a casas por lo que se facilita el uso de paneles solares
en la ciudad.
b) Condición de ocupación.
Dentro de la condición de ocupación de la vivienda se determinó
el número promedio de personas que habitan por casa, obteniéndose el
21% de cuatro personas y el 19% de cinco personas, si comparamos los
datos obtenidos con los datos entregados por el INEC, se obtiene que el
número de personas es de cinco.
c) Tipo de cubierta
Uno de los parámetros más importantes dentro del proyecto de
calentamiento de agua por medio de energía solar es que los techos
sean de loza, de tal manera que soporte el peso del equipo, esté a un
nivel adecuado, sea fácil de instalar y de realizar su debido
mantenimiento, en este caso los datos arrojados por la encuesta son
convenientes, debido a que el 88% de las cubiertas son de loza.
d) Gastos en planillas de luz
El consumo promedio de energía eléctrica en la ciudad, es del
35% equivalente a un costo comprendido entre los 20 y 40 dólares, más
del 50% de este consumo está destinado al calentamiento de agua para
uso doméstico, por lo que al implementar un equipo solar disminuiría el
consumo de energía considerablemente.
e) Conocimiento de la existencia de calentadores so lares de agua
para uso doméstico
Mediante campañas de concienciación y de utilización de
energías alternas que se han difundido, el 54% de la población conoce
de las aplicaciones de la energía solar, pero no el principio y
funcionamiento de los equipos que se utilizan.
f) Implementación de un sistema de calentamiento de ag ua con
energía solar
Uno de los resultados que indica si el proyecto es factible o no, es
conocer si la población estaría dispuesta a invertir en un equipo solar,
conociendo sus ventajas y desventajas.
El resultado obtenido es del 74% a favor de la implementación,
esto demuestra el interés de la gente en disminuir los gastos en energía,
colaborar con el medio ambiente y obtener los mismos resultados.
g) Fuente de energía utilizada para el calentamient o de agua
La energía mas utilizada para el calentamiento de agua es la
energía eléctrica con el 51%, muy seguida del G.L.P.
• Demanda energética
Datos:
t = Tiempo aproximado de uso de agua caliente al día por persona
en la ciudad de Riobamba .≈ 20 �F>. 0.
Costo del Kw-h (0,127 GóHIJKLMN$O )
�� = Consumo de los calentadores de punto (4000 W.)
Consumo diario por persona:
�P� = Q ∗ � ∗ �P (3.6)
�P� = 20 min∗ 4U+ ∗ 0.127 VPWXYZ[ ∗ 1 ℎU+ − ℎ ∗ 60 �F>.
�P� = 0.17 VóWXYZ[/VFXYFP
El consumo de agua es diario y su utilización es de 365 días del año. Por
lo tanto cada persona tendría un consumo anual de $ 62 dólares.
Dentro de los resultados obtenidos por la encuesta el número de
personas promedio en una vivienda es de cinco, entonces el consumo
anual de energía por vivienda es de $ 310.
3.5. DIMENSIONAMIENTO DEL PROYECTO
Con los datos recabados en la investigación que antecede, se tienen los
siguientes parámetros para el dimensionamiento del sistema de calentamiento
de agua con energía solar para una vivienda tipo en la Ciudad de Riobamba.
Datos de proyecto:
• Radiación incidente promedio: 678.4 W/m2 (Ec. 3.1)
• Número de personas promedio: 5 (el promedio por vivienda en
Riobamba es 4 personas y se considera un margen de seguridad del
25%)
• Eficiencia energética del sistema: 0.5 (rango recomendado entre
0.3…. 0.7) (11)
• Temperatura del agua de la ciudad: 15.4 0C (medición)
• Temperatura de salida del agua caliente: 40 0C (recomendación)
(11)
• Número de horas de trabajo del sistema: 9horas (de 08H00 a
17H00)
• Calor específico del agua: 4.186 KJ/Kg.0C (3)
• Caudal de agua por persona/día: 50 Lt.–persona/día a 40 0C
(Manual ASHRAE) (1)
En tal virtud reemplazando los datos en la ecuación (3.3), se tiene:
A = 2.11 m 2
Por lo que, para una vivienda promedio de la Ciudad de Riobamba se
requiere un área de 2.11 m2 de colector solar plano, cuyas características serán
determinadas en lo posterior.
3.6. SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA PARA USO DOMÉ STICO
EN LA CIUDAD
En base de los cálculos hechos anteriormente se requieren para el
calentamiento de agua de uso doméstico, un sistema de colectores solares que
proporcionaría un caudal de 250 litros de agua caliente al día, agua que estará
calentada a 40 0C.
Entre las características del sistema se anotan:
• Área del panel receptor: Un panel solar de 2.11 m2, donde el área del
panel será de material metálico con buenas características de
conductividad térmica, revestida de una delgada capa absorbente de la
radiación solar que incide en la tierra.
• Cubierta del colector: la cubierta será de material parcialmente
transparente, este elemento procura el efecto invernadero para el panel
solar.
• Tuberías del panel: las tuberías de circulación en el panel estarán
íntimamente unidas a la placa solar absorbente con material compatible
a la misma, que garanticen un buen aprovechamiento de la energía
captada por la placa.
• Aislamiento térmico: elemento que no permitirá el flujo de calor desde
el interior del panel hasta el medio ambiente, garantizando un
aislamiento térmico adecuado, para lo que se utilizará material aislante
en dimensión compatible con el espesor crítico de aislamiento.
• Tuberías externas: garantizarán el flujo del ingreso de agua fría y salida
del flujo de agua caliente, conectadas al reservorio de agua de uso.
• Accesorios de instalación: se utilizarán accesorios de instalación
hidráulicas como codos, derivaciones, válvulas de compuerta y check,
filtros de agua, uniones, tanque reservorio, entre otros.
Por lo que, un eventual sistema de calentamiento de agua modelo para
la cuidad seria el que se muestra en la figura a continuación.
Fig. 3.4. Colector plano para calentamiento de agua
CAPITULO IV
5. MODELACIÓN MATEMÁTICA Y ESTANDARIZACIÓN DE SIST EMAS
SOLARES
5.2. PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA
Para el diseño de un sistema de colectores solares para calentamiento
de agua de uso doméstico, se analiza los siguientes parámetros para los
diferentes componentes del mismo en base a las siguientes consideraciones
técnicas: (10)
• La geometría de la placa absorbente es plancha – tubo.
• Los cabezales distribuidor y recolector tiene un área de transferencia
considerada despreciable.
• Los cabezales permiten flujo uniforme en los tubos que son paralelos
entre si.
• No hay absorción de energía solar en la cubierta transparente, o sea el
gradiente térmico es despreciable.
• El flujo de calor es unidireccional.
• El cielo es considerado un cuerpo negro para longitud de onda larga.
• El gradiente de temperatura en las paredes de los tubos es
despreciable.
• Las pérdidas de calor en los flancos del panel son iguales y
despreciables.
• Son despreciables los efectos del polvo y suciedad en la cubierta.
• Se considera que no existen sombras sobre el panel.
• El diseño y cálculos del panel se efectuarán para un área de 1 m2.
• El sistema será diseñado para circulación natural (sistema termosifón).
• Los materiales serán seleccionados para procurar la mejor eficiencia
térmica del sistema.
• Caudales, temperaturas, características meteorológicas con las
determinadas en el capítulo anterior, valores debidamente justificados.
5.3. MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE
AGUA
El modelo matemático es una secuencia de cálculos que permite
conocer el funcionamiento térmico del sistema de calentamiento de agua con
energía solar, en función de los parámetros físicos, hidráulicos, térmicos,
mecánicos, que el proyectista utiliza. (5), (2), (10), (10).
El modelo incluye cálculos térmicos, hidráulicos y mecánicos, que al final
nos permitirán conocer el rendimiento o eficiencia del sistema.
Modelo Matemático:
^ = _`_a (4.1)
Donde:
η = Eficiencia del colector plano (%)
Qu = Calor neto útil [W/m2]
QA = Calor admitido por el panel [W/m2]
Radiación solar incidente en la placa (S):
b = c ∗ d ∗ � (4.2)
Donde:
α = Absorbencia de radiación en la cubierta
d = Transmisividad de radiación de la cubierta
I = Radiación incidente en la cubierta [W/m2]
Área del panel (A):
De la ecuación (3.3) especificada en el capitulo anterior se obtiene el
área del panel a utilizar.
Calor neto ó útil (Q u):
�e = fg ∗ .�h − �g0 (4.3)
Donde:
FR = Factor de remoción de calor (ad.)
QA = Calor admitido por el panel [W/m2]
�h = c ∗ d ∗ � (4.4)
QR = calor rechazado por el sistema [W/m2]
�g = ij ∗ .�� − ��0 (4.5)
Donde:
Tf = Temperatura de salida del agua (0)
Ti = Temperatura de entrada del agua al panel (0)
Ut = Coeficiente total de pérdidas de calor [W/m2 * 0]
Coeficiente total de pérdidas:
El cálculo del coeficiente total de pérdidas del sistema se hace en
función de la energía disipada a través de la cubierta, base y flancos de
colector.
Fig. 4.1. Red térmica equivalente
Donde:
Tp = Temperatura de la placa (0)
Tb = Temperatura de la base del colector (0)
Ta = Temperatura ambiente (0)
TC1 = Temperatura de la cubierta (0)
R1 = Resistencia térmica entre placa y aislamiento (m2 * 0/W)
R2 = Resistencia térmica, base del colector y el ambiente (m2 * 0/W)
R3 = Resistencia térmica entre placa y cubierta (m2 * 0/W)
R4 = Resistencia térmica entre cubierta y medio ambiente (m2 * 0/W)
En consecuencia:
kj = <lm = <
l_o��IBl_pILKBl_�HI�oqL (4.6)
Donde:
Rt = Resistencia total del sistema = ΣR
Ucima = Pérdida de calor por la cima (convección + radiación)
io��I = <gr%st = <
guBgv (4.7)
Rcima = Resistencia por la cima: (R3 + R4) en el caso de una cubierta y
generalizando para n cubiertas, se suman las resistencias que sean:
kw = <Or !xr'BOy !xr' (4.8)
Donde:
hc p-c1 = Conductancia por convección entre placa y cubierta (W/m2 * 0)
ℎo �$o< = .�� + �o<0'u (4.9)
Donde:
�� = Temperatura media de la placa (0K)
�o< = Temperatura media de la cubierta (0K)
hr p-c1 = Conductancia por radiación entre placa y cubierta (W/m2 * 0)
ℎJ �$o< = ?�"!B"r'�∗."z9B "{'9 01 '
|!4B } '|r~ $< (4.10)
Donde:
σ = Constante de Stefan Boltzman = 5,6687*10-8 (W/m2 * 0K4) (3)
ep = Emisividad de la placa
ec = Emisividad de la cubierta
k� = <Or r'xtBOy r'xt (4.11)
Donde:
hc c1-a = Conductancia por convección, cubierta y ambiente (W/m2 * 0)
ℎo o<$I = 5,7 + 3,8� (4.12)
Donde:
V = Velocidad media del viento (m/s)
hr c1-a = Conductancia por radiación, cubierta y ambiente (W/m2 * 0)
ℎJ o<$I = ?∗ Kr�"r'v B "r%|��v �"r'B "t (4.13)
Donde:
ec = Emisividad del cielo (≅ 1)
Tcielo = Temperatura equivalente del cielo (0K) (5)
�o�KHq = 0,0552.�I0<,� (4.14)
Donde:
Ta = Temperatura ambiente (0K)
Ubase = Pérdidas térmicas en la base (conductividad + convección)
ipILK = <g�t�| = <
g'Bg9 (4.15)
k< = p� (4.16)
Donde:
b = Espesor del aislamiento (si son más de uno, entonces analizar por
pared compuesta) (m)
k = Conductividad térmica del aislamiento (W/ m* 0)
R2 = Es despreciable, debido a que las pérdidas convectivas por la base
son insignificantes, pues el gradiente de temperatura entre base del
colector y ambiente es mínimo:
k, ≅ 0 (4.17)
Uflancos = Pérdidas térmicas por los flancos
i�HI�oqL ≅ 0 (4.18)
Pues, representa menos del 10% de las pérdidas por la base y siendo
éstas pequeñas y al estar convenientemente aislados por los flancos, se hace
despreciable.
Finalmente se calcula el valor de Utotal y se puede encontrar los valores
de las pérdidas específicas o flujo de calor por cada sección con ayuda de las
expresiones matemáticas respectivas y obtener un balance térmico del
sistema.
Fig. 4.2: Balance térmico del sistema
Factor de remoción de calor (F R)
Representa la razón de ganancia de calor útil a la ganancia de calor ideal
si toda la superficie estuviese a la temperatura del fluido a la entrada de los
tubos.
Este factor permite relacionar las condiciones térmicas, hidráulicas,
mecánica que afectan al rendimiento del equipo.
fg = ^L ∗ ^� (4.19)
Donde:
ηs = Factor de eficiencia del sistema, valor que considera la capacidad de
la aleta (placa - tubo) rectangular y del fluido de intercambiar energía.
^L = '
�m�∗� '
�m�.�x�0�t���B '�#∗�∗�%� (4.20)
Donde:
L = Longitud de la aleta, distancia entre centros
D = Diámetro externo del tubo (m)
Di = Diámetro interno del tubo (m)
Fig. 4.3. Aleta rectangular
ηa = Eficiencia de la aleta, dada por:
^I = j�O �}�x�9 ~
�}�x�9 ~ (≅ 1) (3) (4.21)
Donde:
m = Valor que proporciona la capacidad térmica de la aleta
� = � lm�∗K (4.22)
Donde:
k = Conductividad térmica de la aleta (W/m*0)
e = Espesor de la aleta (m)
hf = Coeficiente de película del fluido (W/m2 * 0)
ℎ� = ��∗�t�% (4.23)
200 ≤ ℎ� ≤ 600 (W/m2 * 0)
Donde:
ka = Conductividad térmica del agua (1,5E-04 Kcal/m*s*0)
Nu = Número de Nusselt
�e = 1,86 }kK ∗ �J ∗ �%� ~�,ww
(4.24)
Donde:
Y = Longitud unitaria del colector (m)
Re = Número de Reynolds
kK = �∗�#∗�%µ
(4.25)
Donde:
ρ = Peso específico del agua
µ = Viscosidad del agua (6,17*10-4 Kg/ms)
Vf = Velocidad del fluido (m/s)
�� = �h = ��
�∗�%9 (4.26)
Donde:
Q = Caudal de agua circulante (m3 / s)
Se analizará el número de Reynolds a efecto de comprobar en que tipo
de flujo se trabaja (es recomendable ≤ 4000). (3)
Pr = Número de Prandtl
�J = !∗µ
�t (4.27)
Donde:
Cp = Calor específico del agua (1 Kcal/Kg*0) (2)
Con estos valores se determina el valor de hf
200 ≤ ℎ� ≤ 600 (W/m2 * 0C)
Y consecuentemente, el valor de ^L (0,8 – 0,9)
Estos valores altos se deben a:
• Buena conductividad térmica de los tubos
• Adecuado espesor de la placa
• Buen aislamiento del panel
• Buena superficie selectiva de las placas
^� = Eficiencia del factor de flujo; dado por las condiciones, físico – térmicas
del flujo y fluido.
^� = ∗ !lm∗(� ¡1 − Z$�m∗��¢∗{! £ (4.28)
Donde:
G = Flujo másico por unidad de área (Kg/s*m2)
� = ��∗�∗� (4.29)
Donde:
m = Flujo másico del fluido
n = Número de tubos
Y = Largo de los tubos (m)
El factor de remoción de calor puede ser determinado:
(Agua = 90%, aire = 80%)
En las tablas No. 4.1 y 4.2, se muestran todos los valores, datos y
resultados de la modelación matemática propuesta.
TABLA 4.1: DATOS DE LA MODELACIÓN MATEMÁTICA
LUGAR: RIOBAMBA – ESPOCH
DATOS METODO VALOR Absorbencia de placa, α Anexo 3 0,95 Transmisión de cubierta, τ Anexo 4 0,9 Radiación incidente, I (W/m2) Ec. (3.1) 678,42 Temperatura de salida del fluido, Tf (
o) Medición 313 Temperatura de entrada del fluido, Ti (
o) Medición 288,4 Constante Stefan - Boltzman, σ (W/m2 *oK4) Tablas
5,6687E-08
Emisividad de la placa, ep Anexo 3 0,15 Emisividad de la cubierta, ec Asumido 1 Velocidad media del viento, V (m/s) Tabla (3.4) 2,3 Emisividad del cielo, ecielo Asumido 1 Temperatura del cielo, Tcielo (
oK) Ec. (4.14) 267,5 Temperatura media del ambiente, Ta (
oK) Tabla (3.2) 286,4 Espesor del aislamiento térmico, b (m) Recomendación 0,05 Conductividad del aislamiento, k (W/m*o) Anexo 5 0,035
Temperatura media de la placa, Tp (oK) Recomendación (1) 343
Temperatura media de la cubierta, Tc (oK)
Recomendación (1) 294
Longitud entre tubos, L (m) Medición 0,1 Diámetro externo del tubo, D (m) Medición 0,0155 Diámetro interno del tubo, Di (m) Medición 0,0125 Conductividad de la aleta, kal (W/m*oK) Anexo 5 217,71 Espesor de la aleta, l (m) Recomendación 0,013 Conductividad del agua, ka (Kcal/m*s*oK) Tablas 1,50E-04 Peso específico del agua, ρ (Kg/m3) Tablas 1000 Viscosidad del agua, µ (Kg/m*s) Tablas 6,17E-04 Caudal de agua circulante, Q (Lt) Cálculos 250 Calor específico del agua, Cpa (Kcal/Kg*oK) Tablas 1 Flujo másico del agua, m (m3/s) Cálculos 6,95E-03 Número de tubos, nt Cálculos 11 Longitud del colector, Y (m) Recomendación 1
TABLA 4.2: RESULTADOS DEL MODELO MATEMÁTICO
ITEM METODO RESULTADO Calor de admisión, QA (W/m2) Ec. (4.4) 580,05 Calor de rechazo (QR) (W/m2) Ec. (4.5) 165,41 Pérdidas totales del sistema, Ut (W/m2 * o) [4...10 ] 1/Rt 6,72 Resistencia térmica total, Rt (m
2*oC/W) Ec. (4.6) 0,15 Pérdidas térmicas por la cima, Ucima (W/m2 * o) Ec. (4.7) 6,02 Conductancia por convección placa - cubierta, hc p-
c1 (W/m2 *o) Ec. (4.9) 8,60 Conductancia por radiación placa - cubierta, hr p-c1
(W/m2 * o) Ec. (4.10) 1,18 Conductancia por convección cubierta – ambiente, hc c1-a (W/m2*o) Ec. (4.12) 14,44 Conductiancia por radiación cubierta - ambiente, hr c1-a (W/m2 *o) Ec. (4.13) 1,23 Resistencia térmica por la cima, Rcima (m
2*o/W) Ec. (4.7) 0,17 Resistencia térmica placa - cubierta, R3 (m
2*o/W) Ec. (4.8) 0,10 Resistencia térmica cubierta - ambiente, R4
(m2*o/W) Ec. (4.11) 0,06 Pérdidas térmicas por la base, Ubase (W/m2 * o) Ec. (4.15) 0,70 Resistencia térmica por la base, Rbase (m
2*o/W) R1 + R2 1,43 Resistencia por conducción del aislamiento, R1 (m2*o/W) Ec. (4.16) 1,43 Resistencia térmica base - ambiente, R2 (m
2*o/W) Ec. (4.17) 0,00 Pérdidas térmicas por los flancos, Uflancos (W/m2 * o) Ec. (4.18) 0,00 Factor de remoción de calor, FR [0.8…0.9] Ec. (4.19) 0,82 Factor de eficiencia del sistema, ηs [≥ 0.9 ] Ec. (4.20) 0,91 Eficiencia de la aleta, ηa [0.95… 1.0] Ec. (4.21) 0,999 Coeficiente de película del fluido, hf (W/m2*o) [200 … 600] Ec. (4.23) 145,17 Capacidad térmica de la aleta, m (m-1) Ec. (4.22) 1,54 Número de Nusselt, Nu Ec. (4.24) 3,24 Número de Reynolds, Re (< 2000, flujo laminar) Ec. (4.25) 1024 Velocidad del fluido, Vf (m/s) Ec. (4.26) 0,05 Número de Prandtl, Pr Ec. (4.27) 4,11 Eficiencia del factor de flujo, ηf Ec. (4.28) 0,90 Eficiencia térmica del colector, η [0.3 …. 0.7] Ec. (4.1) 0,58 Flujo másico por unidad de área, G (Kg/m2*s) Ec. (4.29) 0,00702
Finalmente se determina el rendimiento térmico del sistema; que tendrá
un comportamiento lineal inverso entre eficiencia del sistema
térmico de calentamiento del agua. Figura. 4.4
Fig. 4.4: Eficiencia
5.4. INDICADORES TÉCNICOS
PÉRDIDAS ENERGÍA, E
Los indicadores técnicos del panel solar diseñado y calculado en los
numerales anteriores, tienen las siguientes características:
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
0 5 10 15 20
Efic
ien
cia
%
EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLAR
Finalmente se determina el rendimiento térmico del sistema; que tendrá
un comportamiento lineal inverso entre eficiencia del sistema
térmico de calentamiento del agua. Figura. 4.4
Fig. 4.4: Eficiencia – gradiente térmico
INDICADORES TÉCNICOS: CALOR TOTAL, CALOR
PÉRDIDAS ENERGÍA, EFICIENCIA.
Los indicadores técnicos del panel solar diseñado y calculado en los
numerales anteriores, tienen las siguientes características:
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Gradiente Térmico (0C)
EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLAR
Eficiencia
Finalmente se determina el rendimiento térmico del sistema; que tendrá
un comportamiento lineal inverso entre eficiencia del sistema -vs- gradiente
: CALOR TOTAL, CALOR ÚTIL,
Los indicadores técnicos del panel solar diseñado y calculado en los
Eficiencia
• Calor total : es el calor que ingresa al sistema: 678,42 W/m2, que es la
radiación solar promedio incidente en la localidad (Riobamba), valor que
fue determinado mediante cálculo de la fórmula (4.3) y que permite
obtener con buena precisión la incidencia solar que llega a la corteza
terrestre, este valor es el que se dispone de energía para fines de
aprovechamiento energético.
• Calor útil : este valor es el que considera tanto la radiación incidente en
la tierra, es decir el valor del calor total, analizado en el párrafo anterior y
al que se le disminuye el calor que se rechaza debido a las pérdidas
propias del sistema cuando se da el proceso de aprovechamiento de la
energía radiante que llega al panel, cuyo valor es de 295.09 W/m2.
• Pérdidas de energía : Son las pérdidas de calor que se producen desde
la placa absorbedora hasta el medio circundante del panel, estas han
sido cuantificadas en el modelo matemático y consisten en las pérdidas
por conducción y convección térmica desde la placa hasta el medio
circundante de la base y flancos del panel, así como las pérdidas de
calor por convección y radiación desde la placa hasta el medio
circundante particularmente por la cubierta o cima del colector, estos
valores están especificados gráficamente en las Figs. 4.1. y 4.2.,
numéricamente son de 6.68 W/m2 o.
• Eficiencia del sistema : Es el factor o coeficiente que determina el grado
de aprovechamiento del calor que acompaña a la radiación incidente y
que en el presente caso es del 58%, valor que indica que más de la
mitad de la radiación incidente sobre el panel es aprovechada, este valor
podría ser mejorado siempre y cuando se cumplan las siguientes
condiciones:
- Las pérdidas totales de calor disminuyen.
- Disminuye el gradiente de temperatura (Tsalida – Tingreso) del agua.
- Aumente la transmisividad de la cubierta con un vidrio de alta
calidad, es decir bajo contenido de oxido férrico (Fe2O3), vidrio de
canto blanco.
- Que aumente la absorbencia de la placa colectora, mediante la
preparación de la superficie selectiva con materiales altamente
absorbentes (cuerpo negro).
- Mejore la radiación solar incidente sobre el panel.
- La distancia entre tubos de la placa colectora sea la adecuada esto
es entre 7 y 20 cm de longitud.
- Que el material de la placa sea de alta conductividad térmica con la
finalidad de incrementar la eficiencia de la aleta, el coeficiente de
película del fluido, el factor de remoción de calor.
- Las pérdidas de calor por aislamiento tiendan al mínimo esto es
obtener las mínimas perdidas de calor en base a la selección de
espesor crítico de aislamiento.
Todas estas consideraciones técnicas de carácter térmico, mecánico,
hidráulico han sido observadas minuciosamente, basadas en las
recomendaciones bibliográficas y comprobadas en las diferentes rutinas de
cálculo del modelo matemático preparado, por lo que los resultados han sido
encontrados en base a la teoría del diseño óptimo, por lo que se presenta un
sistema térmico de excelentes características.
5.5. ESTANDARIZACIÓN DE SISTEMAS SOLARES: POTENCIAL SOLAR-
NO. USUARIOS - AREA DE CAPTACIÓN
Uno de los objetivos centrales del presente trabajo, en función de los
trabajos efectuados en la Facultad de Mecánica de la Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo y otras fraternas universidades del país, así como la
bibliografía mundial consultada nos permite plantear una estandarización de
paneles solares para calentamiento de agua en base a la interrelación de las
siguientes variables:
- Potencial solar
- Área de captación solar
- Caudal de agua a utilizar
Para lo que se encuentra el área de captación de los paneles en función
de las otras dos variables, mediante la ecuación (3.3):
TABLA 4.3: ESTANDARIZACIÓN DE COLECTORES SOLARES PA RA
USO DOMÉSTICO
USUARIOS
CAUDAL
AREA (m2)/ A(m 2)/ A(m 2)/ A(m 2)/ A(m 2)/ A(m 2)/
N0. (Lts/día)
RADIACIÓN (200 W/
m2) I( 400 W/ m2)
I( 600 W/ m2)
I( 678,42 W/ m2)
I( 800 W/ m2)
I( 1000 W/ m2)
1 50 1,37 0,68 0,46 0,40 0,34 0,27 2 100 2,74 1,37 0,91 0,81 0,68 0,55 3 150 4,11 2,05 1,37 1,21 1,03 0,82 4 200 5,48 2,74 1,83 1,62 1,37 1,10 5 250 6,85 3,42 2,28 2,02 1,71 1,37 6 300 8,22 4,11 2,74 2,42 2,05 1,64 7 350 9,59 4,79 3,20 2,83 2,40 1,92 8 400 10,96 5,48 3,65 3,23 2,74 2,19 9 450 12,33 6,16 4,11 3,63 3,08 2,47
10 500 13,70 6,85 4,57 4,04 3,42 2,74 11 550 15,07 7,53 5,02 4,44 3,77 3,01 12 600 16,44 8,22 5,48 4,85 4,11 3,29 13 650 17,81 8,90 5,94 5,25 4,45 3,56 14 700 19,18 9,59 6,39 5,65 4,79 3,84 15 750 20,55 10,27 6,85 6,06 5,14 4,11 16 800 21,92 10,96 7,31 6,46 5,48 4,38 17 850 23,29 11,64 7,76 6,87 5,82 4,66 18 900 24,66 12,33 8,22 7,27 6,16 4,93 19 950 26,03 13,01 8,68 7,67 6,51 5,21 20 1000 27,40 13,70 9,13 8,08 6,85 5,48
Estandarización realizada en hoja de cálculo y en Visual Basic. Anexo
(7).
Fig. 4.5: Estandarización de colectores solares para uso domé stico
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0
ÁR
EA D
EL C
OLE
CTO
R (
m2 )
ESTANDARIZACIÓN DE COLECTORES SOLARES
Radiación 200
Radiación Local 678,42
Estandarización de colectores solares para uso domé stico
5 10 15
N0. USUARIOS
ESTANDARIZACIÓN DE COLECTORES SOLARES
Radiación 200 Radiación 400 Radiación 600
Radiación Local 678,42 Radiación 800 Radiación 1000
Estandarización de colectores solares para uso domé stico
20 25
ESTANDARIZACIÓN DE COLECTORES SOLARES
Radiación 600
Radiación 1000
5.6. ESQUEMAS DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA
En las figuras a continuación, se muestran secuencialmente las partes
constitutivas del sistema de calentamiento estandarizado:
Fig. 4.6: Panel absorbedor
Fig. 4.7: Tanque reservorio aislado
Fig. 4.8: Tubería y accesorios de ingreso de agua f ría
Fig. 4.9: Tubería y accesorios de salida de agua ca liente
5.7. INSTALACIÓN DEL SISTEMA
El sistema de calentamiento de agua con energía solar, luego de su
proyectación, rediseño y estandarización según la teoría planteada en el
presente estudio, ha sido adquirido en el mercado nacional y se procede a su
instalación en la Facultad de Mecánica, para que el mismo sirva como un
aporte para la formación práctica de nuevas generaciones de profesionales de
nuestra Escuela y Facultad, además se considera que una aplicación práctica
conlleva a un mejor entendimiento del funcionamiento del sistema y una
visualización real de equipos de transformación de energía renovable, en este
caso la energía solar.
Para la instalación del equipo de calentamiento de agua se consideran
los siguientes parámetros:
• Equipo: sistema de calentamiento de agua con energía solar: (equipo
estandarizado).
• Tipo: panel de tubos cabezales y paralelos con reservorio de agua
(condición de diseño del sistema).
• Área de captación: Un panel de 2 m2 (Área de captación estandarizada
para una familia promedio en Riobamba, 5 personas).
• Sistema de almacenamiento de agua caliente: Tanque aislado de 120
litros (sistema de calentamiento continuo con efecto termosifón).
• Materiales del sistema: Los seleccionados en la modelación matemática
(en función de criterios de optimización del diseño).
• Lugar de instalación: Facultad de Mecánica de la ESPOCH.
• Posicionamiento geográfico: Latitud: 1º 38´(S), Longitud: 78º 48´(O)
• Orientación: sur-norte; con inclinación del panel encarada al norte
geográfico. (ver Fig. 4.10), a efectos de que no hayan sombras en el
panel por el aparente movimiento del sol de este a oeste.
• Inclinación del panel absorbedor: Latitud geográfica de Riobamba, más
10º ≈ 11º, con esta inclinación se garantiza una incidencia perpendicular
de los rayos del sol sobre el panel, durante el año.
• No deben existir sombras sobre el panel, debido a presencia de árboles,
paredes, edificaciones, para la mejor y mayor captación de incidencia
solar.
• El mantenimiento del sistema se efectuará periódicamente, esto es:
limpieza semanal de la cubierta de vidrio del panel absorbedor,
desoxidación de tuberías internas cada tres (3) meses, control de los
accesorios del sistema cada mes.
• Garantizar el flujo constante de agua de ingreso de la red de
alimentación.
Fig. 4.10: Sistema instalado y funcionamiento
5.8. PRUEBAS Y FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el presente trabajo se ha considerado como prueba de
funcionamiento, la ejecución de experiencias de calentamiento del agua en el
sistema debidamente instalado en diferentes días, los mismos que muestran
diversas características de intensidad de radiación, esto es:
• Días con gran insolación
• Días con mediana insolación
• Días con baja intensidad de insolación
En los días con diversa insolación el calentamiento del agua es
obviamente diferente, como se puede observar en las figuras a continuación:
TABLA 4.4: TEMPERATURA DEL AGUA - TIEMPO DE CALENTAMIENTO
DIAS DE ALTA INSOLACIÓN
DIA/HORA 05/03/2009 06/03/2009 07/03/2009 08/03/2009 PROMEDIO 08H00 16,2 16,5 16,1 16,3 16,3 08H30 17,1 18,3 17,3 17,0 17,4 09H00 20,2 19,4 20,4 18,7 19,7 09H30 24,5 25,2 25,2 29,2 26,0 10H00 31,5 30,4 31,0 38,4 32,8 10H30 39,2 37,6 36,8 47,6 40,3 11H00 47,2 45,6 44,6 51,6 47,3 11H30 53,4 50,5 52,0 59,5 53,9 12H00 61,2 57,6 58,8 67,0 61,2
Fig. 4.11. Calentamiento del agua – tiempo (alta insolación)
El calentamiento del agua es ligero, en aproximadamente 2.5 horas de
insolación se obtienen temperaturas de hasta 40 0C, para los 120 litros de agua
del reservorio, que mezcladas con agua de la red, se tendría 250 litros para el
uso de la familia.
TABLA 4.5: TEMPERATURA DEL AGUA - TIEMPO DE
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
Tem
pe
ratu
ra (
0 C)
Tiempo (Hrs.)
TEMPERATURA DEL AGUA -VS- TIEMPO DE CALENTAMIENTO
Series5
CALENTAMIENTO DIAS DE INSOLACIÓN MEDIA
DIA/HORA 03/03/2009 04/03/2009 PROMEDIO 08H00 16,2 16,5 16,4 08H30 17,1 17,3 17,2 09H00 20,2 19,4 19,8 09H30 24,5 23,2 23,9 10H00 29,0 30,0 29,5 10H30 33,2 35,0 34,1 11H00 36,2 37,0 36,6 11H30 39,4 40,5 40,0 12H00 41,2 42,0 41,6 12H30 45,2 44,0 44,6 13H00 46,0 50,0 48,0 13H30 50,0 52,0 51,0 14H00 52,0 53,0 52,5
Fig. 4.12. Calentamiento del agua – tiempo (media na insolación)
El calentamiento del agua es más lento que con intensidad de radiación
fuerte, en aproximadamente 4 horas de insolación se obtienen temperaturas de
hasta 40 0C, para los 120 litros de agua del reservorio, igualmente, que
mezclada con agua de la red, se tendría 250 litros para el uso de la familia.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
08
H0
0
08
H3
0
09
H0
0
09
H3
0
10
H0
0
10
H3
0
11
H0
0
11
H3
0
12
H0
0
12
H3
0
13
H0
0
13
H3
0
14
H0
0
Tem
pe
ratu
ra (
0C
)
Tiempo (Hrs.)
TEMPERATURA DEL AGUA -VS- TIEMPO DE CALENTAMIENTO
Series1
TABLA 4.6: TEMPERATURA DEL AGUA - TIEMPO DE CALENTAMIENTO
DIAS DE BAJA INSOLACIÓN
DIA/HORA 01/03/2009 02/03/2009 PROMEDIO 08H00 16,2 16,0 16,1 08H30 17,1 17,3 17,2 09H00 20,2 19,4 19,8 09H30 22,5 20,0 21,3 10H00 24,0 21,0 22,5 10H30 26,0 23,0 24,5 11H00 26,2 25,6 25,9 11H30 30,4 31,0 30,7 12H00 33,2 31,5 32,4 12H30 37,0 35,0 36,0 13H00 41,6 36,6 39,1 13H30 42,0 37,0 39,5 14H00 43,0 41,0 42,0
Fig. 4.13. Calentamiento del agua – tiempo baja i nsolación
El calentamiento del agua es lento, en aproximadamente 6 horas de
insolación se obtienen temperaturas de hasta 40 0C, para los 120 litros de agua
del reservorio, y mezcladas con agua de la red, se tendría 250 litros para el
uso.
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
08
H0
0
08
H3
0
09
H0
0
09
H3
0
10
H0
0
10
H3
0
11
H0
0
11
H3
0
12
H0
0
12
H3
0
13
H0
0
13
H3
0
14
H0
0
Tem
pe
ratu
ra (
0C
)
Tiempo (Hrs.)
TEMPERATURA DEL AGUA -VS- TIEMPO DE CALENTAMIENTO
Series1
Consecuentemente con cualquier tipo de radiación solar, se tienen
condiciones de operación adecuadas.
Es importante manifestar, que al final del día (18H00) se tiene el
reservorio con agua sobre los 40-50 oC, y en la experimentación efectuada se
comprobó la bondad del aislamiento térmico de todo el sistema particularmente
del reservorio, pues, al día siguiente, la temperatura del agua, no desciende
mayormente, sino que se mantiene con un menor gradiente térmico entre 5-6
oC, garantizando el uso continuo del agua temperada con energía solar,
además que el calentamiento en el día siguiente será en tiempos
considerablemente menores, ya que el gradiente térmico será menor.
CAPITULO V
5. ESTUDIO DE COSTOS Y RENTABILIDAD
5.1. GENERALIDADES
Los costos que representan la generación energética renovable (solar)
son considerados altos en su inversión inicial, pues, estos costos consideran
entre otras cosas a los equivalentes a:
• Materiales
• Tecnología y procesos de fabricación
• Mano de obra
• Transporte
• Procesos de instalación
• Pruebas y funcionamiento
Estos rubros se suman y constituyen la inversión inicial del sistema, que el
usuario debe absorber generalmente en un solo pago, constituyéndose en una
erogación considerada alta.
Luego de haber efectuado la proyección, estandarización y selección
técnica del sistema de calentamiento de agua de uso doméstico, en el siguiente
numeral se presenta el análisis de costos del sistema.
5.2. COSTOS DIRECTOS
Los costos directos son gastos generales fijos, que se presentan a un
inicio de la inversión y son de valor constante. (12)
Dentro de la inversión de adquisición del equipo, se tiene valores fijos
detallados a continuación:
TABLA: 5.1 COSTOS MATERIALES ADQUIRIDOS
Unid. Denominación Cantidad Precio U.($) Subtotal ($) u Panel Solar 1 350 350 u Tanque de Almacenamiento 1 471 471
Subtotal 1 821
TABLA: 5.2 COSTOS MANO DE OBRA
Cant. Operador Horas - Hombre Costo/hora Subtotal ($) 1 Soldador 3 3,75 11,25 1 Gasfitero 10 2 20 1 Operario 2 1,8 3,6
Subtotal 2 34,85
TABLA: 5.3 COSTOS MÁQUINAS HERRAMIENTAS
Cant. Denominación Horas - Equipo Costo/hora Subtotal ($)
1 Dobladora 1 1 1
1 Tarrajas de 1/2" , 3/4" y
1" 1 1 1 1 Amoladora 1 2 2 1 Soldadora eléctrica 2 5 10 1 Soldadora oxi-acetilénica 1 10 10 1 Compresor 1 3 3 1 Varios 1 0,5 0,5
Subtotal 3 27,5
TABLA: 5.4 COSTOS TRANSPORTE
N° Denominación Cantidad Costo Uni.($) Subtotal ($) 1 Movilización. 1 2,5 2,5
Subtotal 4 2,5
El costo total directo para la construcción del equipo solar es de:
Subtotal 1 821 Subtotal 2 34,85 Subtotal 3 27,5 Subtotal 4 2,5
TOTAL 885,85
5.3. COSTOS INDIRECTOS
Son todos los gastos variables que se tienen y comprenden lo siguiente:
• Costo ingenieril
• Utilidad
• Imprevistos
TABLA: 5.5 COSTO INGENIERIL
N° Denominación Cantidad Costo Uni.($) Subtotal ($)
1 Diseño y construcción de los
soportes 1 72 72 1 Montaje del equipo 1 16,62 16,62
Subtotal 1 88,62
Utilidad.- Se considera el 0% del costo directo total por que es un equipo
tipo para la tesis presentada.
Imprevistos.- Se considera un 3% del costo directo total, por lo tanto es del
$26.53.
El costo total indirecto para la ejecución del equipo solar es de:
Subtotal 1 88,62 Subtotal 2 0 Subtotal 3 26,53
TOTAL 115,15
5.4. COSTOS TOTALES DEL PROYECTO
El costo total es la suma de los costos directos más los costos indirectos,
por lo tanto el costo total del equipo es de 1001 dólares.
Dentro del cálculo del costo total de proyecto, se debe conocer el punto
de equilibrio que es una herramienta importante de la administración; gráfica
que generalmente es utilizada en varias formas de análisis económicos para la
toma de decisiones, en este caso adquisición o no del equipo, la misma que
será determinada mas adelante.
5.5. VALOR ACTUAL NETO (VAN) Y TASA INTERNA DE RETO RNO (TIR)
Para el cálculo de la tasa interna de retorno, primero se debe
calcular el valor positivo y el valor negativo del valor actual neto.
Según las especificaciones técnicas del fabricante, la vida útil promedio
del equipo es de 20 años, este tiempo es una estimación mínima, ya que el
sistema puede durar más tiempo.
El consumo anual por vivienda es de $ 310, este valor representa un
ingreso en caso de que el equipo ya haya sido adquirido, el mismo que se lo
conoce como valor actual de ingresos (VAI), por lo tanto el costo de adquisición
es el valor actual de egresos (VAE).
Valores que restados nos dan como resultado el valor actual de ingresos
expresado de la siguiente forma:
VAN = VAI − VAE (5.1)
��� = � ∗ .©h , F%, >0 (5.2)
��ª = 1001
Para un interés del 46%, se tiene un valor actual neto de 7.197, mientras
que para un interés del 47%, se obtiene un valor de -14.167, rango que nos
permite calcular la tasa interna de retorno (TIR), cuando el valor del VAN es
cero como se observa en la figura 5.1.
Fig. 5.1: Tasa interna de retorno
La tasa interna de retorno es del 46.34%, valor considerado como
aceptable, ya que es el resultado de la transacción económica, en este caso
exitosa.
-20
-15
-10
-5
0
5
10
46 47
VA
N
TIR
VAN vs TIR
Pendiente
5.6. RENTABILIDAD DEL PROYECTO
Fig. 5.2: Análisis del punto de equilibrio
Al analizar la gráfica, se observa que la inversión del equipo se recupera
en tres años aproximadamente, en el caso de un financiamiento personal que
se explicará más adelante.
5.7. FINANCIAMIENTO
En el caso de la implementación de sistemas de calentamiento de agua
para uso doméstico en Riobamba, se plantean las siguientes alternativas
económicas:
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
CO
STO
S ($
)PUNTO DE EQUILIBRIO
Costo Fijo
Costo Variable
• Financiamiento personal: esto es que el sistema a instalarse sea
financiado por los propios usuarios en el valor que implica el mismo,
esto es mil un dólares (US$ 1001,oo) por sistema para cada cinco (5)
personas, este sistema de compras implica una disminución del costo en
7% del valor comercial por parte del vendedor de equipos.
• Financiamiento a través de la casa distribuidora de equipos: que
permitiría una adquisición del sistema en cuotas prorrateadas a 3, 6, 9,
12 meses del costo del equipo con un recargo adicional por concepto de
financiamiento, que contempla tasas permitidas por la ley. (12% anual).
• Financiamiento a través de tarjetas de crédito: las que permiten la
adquisición del sistema solar inmediato y sin recargo adicional por tasas
de financiamiento si la compra es hasta tres (3) meses sin intereses.
Cuando supera este tiempo se recargan tasas de interés variable
dependiendo del tiempo de crédito. (Anexo 7)
CAPITULO VI
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. CONCLUSIONES
• La energía para uso doméstico en Ecuador y en Riobamba se centraliza
en la utilización de electricidad del S.N.I. o quema de GLP
principalmente lo que ocasiona que el costo energético correspondiente
a este uso sea alto, pues para una familia media de Riobamba (5
personas) implica un pago de electricidad que bordea los 15 dólares
mensuales.
• En Riobamba y Ecuador el uso de la energía solar para calentamiento
de agua para uso doméstico es incipiente, debido principalmente a la
falta de incentivos del uso de las fuentes alternas de energía, así como
de los aparentes costos elevados en su implementación, $1001,oo el
sistema, para una familia promedio en la Ciudad.
• El costo de implementación de sistemas de calentamiento de agua para
uso doméstico es fácilmente amortizable en un lapso de 3 años.
• La energía del sol en Riobamba es considerable, pues llega como
promedio alrededor de 678 W/m2., lo que permite la utilización adecuada
de energía solar , ya que de promedio en la Ciudad se tendría sobre los
5 KW/m2.dia, valor superior a los 3 KW/m2.dia, que son requeridos para
que un sistema de calentamiento de agua sea rentable.
• La tecnología para la implementación de sistemas de calentamiento de
agua para uso doméstico es accesible y adaptable al medio, pues los
materiales para la construcción de los mismos son de fácil consecución
en el mercado nacional, así como su construcción, inclusive en talleres
mecánicos no tan sofisticados ni provistos de máquinas especiales.
• De las encuestas efectuadas en el presente trabajo se determina que el
74% de familias consultadas desearía implementar el sistema de
calentamiento de agua con energía solar, toda vez, que el consumo de
energía para calentamiento de agua de uso doméstico es de
aproximadamente 0.17 c.$/día, que en el año acumulan a $
62.05/persona.
• La estandarización de los sistemas de calentamiento de agua con
energía solar se basó en la modelación matemática que permite
relacionar las siguientes variables: área de paneles solares
(dependiente) en función de la radiación solar incidente y número de
personas.
• La tabla de estandarización de sistemas solares para calentamiento de
agua es amplio, desde una persona hasta familias numerosas (20
personas), es decir que incluye a toda gama de familias de la Ciudad y
País.
• La estandarización no solo permite la selección de equipos
estandarizados en Riobamba, sino en cualquier posición geográfica cuya
radiación solar se encuentre en el rango de 200 a 1000 W/m2, que
incluye a todos los lugares de Ecuador.
• El equipo típico estandarizado para la Ciudad de Riobamba es de 2 m2
de área de colector, con tanque reservorio de 120 litros, que da
cobertura para los miembros de una familia de 5 personas.
• El costo del equipo estandarizado es de US $1001,oo debidamente
instalado y que incluye un sensor para actuar en caso de que la
irradiación solar sea insuficiente y utilizaría un sistema auxiliar de
energía eléctrica, lo que le da versatilidad y seguridad al sistema solar
con energía eléctrica.
• Los materiales que fueron seleccionados con las mejores características
para el sistema son: cubierta de vidrio, placa absorbente de aluminio
comercial, tubería del panel: cobre, aislamiento del panel: poliuretano,
tuberías exteriores: manguera de PVC y CPVC, reservorio de agua:
tanque aislado con poliuretano de doble fondo. soporte del panel y
reservorio: de acero estructural.
• De la modelación matemática se concluye que el sistema tiene una
eficiencia de 58%, considerada alta, por la adecuada selección de los
materiales, en función de consideraciones mecánicas, térmicas e
hidráulicas de los mismos.
• El uso de la energía solar para calentamiento de agua es una alternativa
válida con la finalidad de ahorrar energía de tipo convencional y si la
ciudad utilizaría esta fuente alterna de energía se estaría ahorrando
286,18 MW-h /día o el equivalente a 104.455.7 MW-h /año en la Ciudad,
con el consecuente ahorro económico y además estaríamos evitando
contaminación ambiental particularmente de SOx, NOx, COx, gases
nocivos que se presentan en la generación térmica y que agravan el
problema del calentamiento global del planeta.
• El funcionamiento del sistema estandarizado es adecuado, pues así lo
demuestran las pruebas de funcionamiento y operación, pues se
requieren de 2, 3 y 6 horas para calentar el agua del reservorio con
insolaciones altas, medianas y bajas.
• Se puede concluir, que se puede fácilmente duplicar y hasta triplicar el
calentamiento de agua que supera los 40 oC asumidos, con el
consecuente funcionamiento continuo de agua sin uso de energía
auxiliar.
• Se debe mantener siempre conectado el sistema a la red doméstica de
agua de la vivienda para garantizar el flujo continuo de agua y evitar
elevaciones excesivas de temperaturas.
• El funcionamiento del sistema de calentamiento estandarizado debe
mantener una altura de 1 metro desde la base del piso hasta la entrada
de agua caliente al sistema, ó al menos 40 centímetros, desde la salida
del agua del panel hasta la entrada de ésta la tanque reservorio.
• En Riobamba al existir de promedio cinco (5) horas de sol brillante al día
en el año está garantizado el funcionamiento del sistema estandarizado
en todo el tiempo y estación anual.
6.2. RECOMENDACIONES
• Se recomienda que el sistema solar de calentamiento de agua de uso
doméstico no trabaje a más de 40 oC, a fin de evitar pérdidas térmicas y
disminuir la eficiencia del colector, manifestando que la eficiencia del
sistema es inversamente proporcional al gradiente térmico.
• Se recomienda la instalación del sistema solar en lugares donde no haya
sombras sobre el panel (techos, terrazas de las casas) y observen una
orientación del panel de 10o y un encaramiento hacia la línea ecuatorial
es decir mirando al hemisferio norte para garantizar una adecuada
trayectoria aparente del sol.
• Que se procure un mantenimiento periódico de limpieza semanal del
sistema particularmente, de la cubierta del panel (vidrio) y una
desoxidación de las tuberías cada tres (3) meses).
• Se mantenga un flujo constante de agua desde la red domiciliaria para
garantizar el calentamiento estacionario del agua, el mismo que es
controlado por la válvula check ubicada en el ingreso del agua fría del
sistema.
• La instalación doméstica del agua debe incluir un sistema de mezcla de
agua para el uso, pues las temperaturas que se alcanzan son superiores
a los 40 oC, con lo que se estaría en capacidad de duplicar el volumen
de agua temperada, con los consiguientes beneficios para el usuario.
• Concienciar a la ciudadanía respecto al uso de la energía solar como
alternativa energética para el calentamiento de agua de uso doméstico.
• Entregar el presente documento a instituciones públicas y privadas para
que se procure la implementación de la energía solar como alternativa
energética para el calentamiento de agua de uso doméstico.
• Que la Facultad de Mecánica de la ESPOCH retome el liderazgo en
estudios, desarrollo e implementación de sistemas energéticos
renovables a nivel local y nacional.
• Se haga una difusión masiva de los resultados del presente trabajo a
todo nivel, particularmente en Colegios, Facultades de Educación
Superior y ciudadanía en general.
• Se busque la posibilidad de que la Facultad de Mecánica y su Escuela
de Ingeniería Mecánica a través de sus talleres y CEDICOM puedan
producir equipos de calentamiento de agua con energía solar y ubique
estos productos en el mercado nacional como una fuente de autogestión
de la Facultad, así como de una verdadera vinculación entre la ESPOCH
y la colectividad.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ASHRAE. Manual de Climatización. USA, 2000, pp: 244-245
[2] FOSTER, Arthur. Energía Solar. Método de Cálculo de Colectores
Solares. Quito: EPN., 1980, pp: 70-91
[3] KREITH I.T.C.- Principles of heat transfer.- 2a. Edición.- New York.-
USA.- 1980. pp: 13-47
[4] LIND, Marshall. Estadística para Administración y Economía. 11va.
Ed. Bogotá - Colombia: D´Vinni.- Ltda., 2004, pp: 261-420
[5] MANRIQUE, José A.- G. - Energía Solar. Fundamentos y Aplicaciones
Foto térmicas. México: Harla S.A., 2000, pp: 99-137
[6] MINISTERIO DE ELECTRICIDAD.- Ecuador. Publicaciones periódicas.
Quito – Ecuador, 2008
[7] OLIVA, Luis y otros. Generadores de Vapor. Curso de Maestría en
Energía. Riobamba –Ecuador, 1997
[8] RAU, Hans. Energía Solar y Aplicaciones. EE.UU, 2005, pp: 101-102
[9] SALVAT. Colección. 5ta. Ed. México, 2004
[10] SANTILLÁN, Rodolfo. Fuentes Alternas de Energía, Energía Solar.
Riobamba - Ecuador: ESPOCH, 2000, pp: 24-48
[11] SANTILLÁN, Rodolfo. Tecnología y Medio Ambiente. Texto básico.
Riobamba: Facultad de Mecánica. ESPOCH, 2005, pp: 12-23
[12] TARQUIN, Anthony . Ingeniería Económica. 6ta. Ed. México: McGraw-
Hill., 2006, pp: 226-311
[13] VIZUETE, Luis y otro. Diseño de Colectores Solares para el Hotel
Manabí. Tesis de Grado. Riobamba-Ecuador, 1998
BIBLIOGRAFÍA
ASHRAE. Manual de Climatización. USA, 2000
DANIELS, Farrington. Uso de la Energía Solar. México: Baume, 1980
FOSTER, Arthur. Energía Solar. Método de Cálculo de Colectores Solares.
Quito: EPN., 1980
KREITH I, T.C. Principles of Heat Transfer. 2da. Ed. New York-USA, 1980.
LIND, Marshall. Estadística para Administración y Economía. 11va. Ed.
Bogotá - Colombia: D´Vinni.- Ltda., 2004
MANRIQUE, José A.- G. - Energía Solar. Fundamentos y Aplicaciones Foto
térmicas. México: Harla S.A., 2000
MINISTERIO DE ELECTRICIDAD.- Ecuador. Publicaciones periódicas.
Quito – Ecuador, 2008
MONTGOMERY, Richard. La Crisis de la Energía. 2da. Ed. México, 2001
OLIVA, Luis y otros. Generadores de Vapor. Curso de Maestría en
Energía. Riobamba –Ecuador, 1997
PAZMIÑO, Marco. Energía Solar, Teoría y Experimentos. Guayaquil-
Ecuador: ESPOL, 1985
RAU, Hans. Energía Solar y Aplicaciones. EE.UU, 2005
SALVAT. Colección. 5ta. Ed. México, 2004
SANTILLÁN, Rodolfo. Fuentes Alternas de Energía, Energía Solar.
Riobamba - Ecuador: ESPOCH, 2000
SANTILLÁN, Rodolfo. Tecnología y Medio Ambiente. Texto básico.
Riobamba: Facultad de Mecánica. ESPOCH, 2005
TARQUIN, Anthony . Ingeniería Económica. 6ta. Ed. México: McGraw-Hill.,
2006
VIZUETE, Luis y otro. Diseño de Colectores Solares para el Hotel Manabí.
Tesis de Grado. Riobamba-Ecuador, 1998
ANEXOS
